Jumeau numérique pour les lignes de production : leçons des principaux fabricants électriques

Considérez ceci : vous êtes sur le point de commencer un nouveau processus de production de disjoncteurs. Avant que toute machine ne commence à souder ou que les câbles ne commencent à se connecter, vous pourriez voir l’ensemble du processus se dérouler à l’écran. Vous le verriez depuis le moment où les matières premières sont introduites, alimentées dans la machine, jusqu’à ce que le produit final soit transféré aux emballeurs. Vous identifieriez la station de goulot d’étranglement, modifieriez la configuration de la ligne de production et testeriez votre programme PLC avec différents produits avant de construire l’appareil. Imaginez combien de temps, d’argent et d’efforts vous économiseriez ! C’est ce que la technologie du jumeau numérique offre à l’industrie manufacturière. Le jumeau numérique est une représentation virtuelle d’un produit, d’un appareil ou d’une ligne créée à l’aide de logiciels. Il a la capacité de se connecter à son homologue réel grâce à la transmission de données.

Certaines entreprises telles que Siemens, Schneider Electric, ABB et Eaton ont déjà introduit des technologies de jumeaux numériques et partagé leurs résultats : réduction du temps de production, mise sur le marché plus rapide, réduction du temps de déplacement des matériaux de près de 40 %, réduction du temps de mise en service de 80 %, et réduction du délai de livraison de moitié. Ce guide aidera à expliquer la notion de jumeau numérique telle qu’elle s’applique à l’industrie manufacturière, quelles entreprises utilisent cette technologie, et comment elle peut être bénéfique pour les petites et moyennes entreprises souhaitant mettre en place des lignes d’assemblage automatisées et des tests.

En termes simples, un jumeau numérique peut être défini comme un modèle en ligne d’un produit, d’une machine, d’une ligne de production ou d’une usine de fabrication qui est lié à des données réelles et peut imiter la performance d’un objet réel. La technologie est utilisée par les entreprises pour la simulation et les tests de processus avant le début de la production (mise en service virtuelle), révélant tout goulot d’étranglement, prédisant les besoins de maintenance et confirmant les modifications du produit. Selon Siemens, Schneider Electric et ABB, l’adoption de cette technologie permet une réduction du time-to-market de plus de 40 %, de la consommation d’énergie de 32 % et du temps de mise en service jusqu’à 80 %.

Qu’est-ce qu’un jumeau numérique ? Comment les fabricants le comprennent-ils

Qu’est-ce qu’un jumeau numérique exactement ? Il s’agit de la représentation virtuelle d’un objet physique ou d’un processus qui comprend ses caractéristiques et spécifications. Les trois caractéristiques suivantes permettent de différencier un jumeau numérique d’un modèle CAO standard et/ou d’une technique de modélisation générique.

• Premièrement, un jumeau numérique modélise des processus plutôt que la géométrie. Cela signifie qu’un jumeau numérique peut suivre le mouvement du cercle, calculer le temps nécessaire pour effectuer une mesure ou déterminer ce qui se passe avec une pièce défectueuse.
• Deuxièmement, un jumeau numérique reçoit des données en temps réel. Les données provenant d’un capteur, d’un système PLC, d’un MES et les informations concernant la qualité sont transférées à un modèle numérique à partir des informations obtenues du système réel.
• Enfin, un jumeau numérique sert à prendre des décisions éclairées. En termes simples, un ingénieur pose une série de questions “ et si ” au jumeau numérique et choisit une réponse qui a du sens en ce qui concerne la production.

La technologie moderne du jumeau numérique unifie les logiciels de modélisation 3D, les logiciels de simulation physique et logique, l’IoT industriel et l’utilisation de l’intelligence artificielle. À cet effet, nous pouvons citer plusieurs entreprises, telles que Siemens (NX, Tecnomatix Process Simulate et Plant Simulation), ABB (RobotStudio), Dassault Systèmes, Rockwell Automation et NVIDIA (Omniverse).

Les trois couches d’un jumeau numérique de fabrication

En ce qui concerne une usine, il peut être utile de considérer le jumeau numérique de fabrication comme composé de trois couches différentes. Siemens et d’autres fournisseurs appliquent des types de structures similaires.

Le véritable avantage provient du lien entre les trois couches, où un changement dans le jumeau produit entraîne une mise à jour du jumeau processus et les informations de performance de la ligne leur sont renvoyées.

Les quatre types de jumeaux numériques selon l’échelle

Une autre méthode couramment utilisée pour classer les jumeaux numériques peut être basée sur leur taille.

• Le jumeau composant fait référence à une unité telle qu’une bande bimétallique, un ressort ou un contact.
• Le jumeau actif concerne une machine ou un appareil complet.
• Le jumeau système implique plusieurs unités fonctionnant ensemble, comme dans une ligne d’assemblage de disjoncteurs modulaires (MCB).
• Le jumeau processus signifie l’ensemble de la ligne de production ainsi que la logistique, la planification et l’approvisionnement en énergie.

Habituellement, les fabricants commencent soit par l’utilisation de jumeaux système, soit de jumeaux actifs, car ce sont les types de jumeaux les plus faciles à manipuler.

Comment les principaux fabricants électriques utilisent les jumeaux numériques

Les exemples d’usines à jumeaux numériques sont principalement observés dans la production d’équipements électriques et d’automatisation où les entreprises démontrent leur succès en citant leurs propres usines comme exemples. Vous pouvez utiliser les données provenant des sites web de diverses entreprises.

Siemens : du jumeau numérique produit au jumeau numérique d’usine

Erlangen, Allemagne – flux de matériaux et opérations de véhicules guidés automatisés (AGV). L'usine électronique Siemens d'Erlangen produit des variateurs de fréquence SINAMICS. Grâce aux programmes Tecnomatix Plant Simulator et Process Simulate, les ingénieurs peuvent désormais suivre le fonctionnement des AGV sur le plancher de production et le transport des matériaux, ce qui entraîne une baisse de près de 40 % du taux de circulation des matériaux grâce aux simulations de processus dans le jumeau numérique plutôt que sur le plancher de production. De plus, Siemens utilise les jumeaux numériques des robots, des conteneurs et des pièces pour former les systèmes d'IA à utiliser des robots simulés pour la manutention des matériaux au lieu de programmer manuellement chaque robot pour chaque pièce. En utilisant à la fois l'IT et l'OT ainsi que l'IA industrielle, Siemens a réussi à augmenter la productivité de 69 % en quatre ans et à réduire la consommation d'énergie de 42 %.

Selon Siemens, la raison pour laquelle l'entreprise a réussi à atteindre le temps de cycle de production cible d'environ huit secondes est la création de son jumeau numérique. L'usine de Chengdu en Chine a été créée comme un jumeau numérique de l'usine d'Amberg afin de réaliser les mêmes processus dans une région différente.

Nanjing, Chine – une usine existant virtuellement. L'usine de commande numérique Siemens située à Nanjing est spécialisée dans la production de machines CNC, d'entraînements et de moteurs. Avant sa construction, l'ensemble de l'installation de fabrication a d'abord été conçue et testée dans un espace virtuel. L'usine couvre désormais une superficie de 73 000 m² et est engagée dans plus de 50 opérations pilotées par l'IA. Depuis 2022, l'efficacité des opérations a augmenté de 78 %, tandis que les défaillances ont diminué de 46 %. L'usine a été nommée Global Lighthouse par le Conseil du Forum économique mondial (WEF) en janvier 2026.

Schneider Electric : Jumeaux numériques pour l'énergie, les opérations et la rapidité

L'application de la technologie du jumeau numérique dans la plateforme EcoStruxure a permis à Schneider Electric de connecter ses usines à ses solutions énergétiques et informatiques en équipant ses usines intelligentes d'outils d'expansion uniques. L'entreprise utilise des jumeaux numériques dans de nombreuses installations de fabrication, ce qui conduit à d'importants bénéfices :

Wuxi, Chine – l'application des jumeaux numériques a permis une économie de 32 % sur les coûts de chauffage et de ventilation. Les développements les plus récents utilisés par l'entreprise avec l'aide de la 5G, qui a permis la performance des robots, ont entraîné une croissance de 30 % des livraisons à temps et une diminution de 25 % du time-to-market dans cette usine.

Le Vaudreuil, France – l'un des premiers Lighthouses qui fournit l'application EcoStruxure Augmented Operator Advisor impliquant les technologies de réalité augmentée, la consommation d'énergie et la maintenance prédictive. Ce Lighthouse a permis d'économiser 25 % d'énergie et de réduire les émissions de 25 %.

Lexington, États-Unis – l'utilisation des IoT et de l'analyse prédictive permet de recevoir des données en temps réel et permet de diminuer la consommation d'énergie de 26 %.

Shanghai, China – l'usine a mis en œuvre des technologies d'apprentissage automatique dans l'ingénierie et GENAIC qui l'ont aidée à réduire la période de livraison des commandes de 67% ainsi qu'à augmenter la productivité de 82%

Dans tous les cas, Schneider Electric déclare des économies comprises entre 10% et 30% en consommation d'énergie et une réduction des coûts de maintenance de 30% à 50%. De plus, l'exemple de Shanghai est très illustratif pour les producteurs de produits basse tension.

ABB : Mise en service virtuelle avec des jumeaux numériques de robots

ABB a lancé le logiciel de simulation RobotStudio en 1998. En mars 2026, RobotStudio HyperReality a été lancé, intégrant les avancées de NVIDIA Omniverse et le concept de jumeaux de produit, d'environnement et de robot. L'entreprise souligne que la plateforme permet d'atteindre une corrélation entre la simulation et le robot réel d'environ 99%, ainsi que de réduire le temps de mise en service de 80% et les coûts de développement de 40%. L'une des principales raisons de ce résultat est qu'ABB utilise le même firmware dans le contrôleur virtuel et le contrôleur physique du robot.

Eaton : Simulateur et jumeaux numériques en production

L'usine Eaton de Changzhou en Chine traite 164 000 références et environ 5 000 nouveaux designs chaque année. La mise en œuvre des jumeaux numériques, de la simulation, de l'intelligence artificielle et de la robotique a permis à l'entreprise d'obtenir une réduction de temps de 39%, une amélioration de l'efficacité de 50% et une augmentation du chiffre d'affaires de 129%.

Résultats comparés des jumeaux numériques

Ce que les jumeaux numériques apportent aux lignes de production automatisées

Pour un fabricant achetant ou modernisant une ligne d'assemblage et de test automatisée, les avantages d'un jumeau numérique sont pratiques et mesurables. Quatre se distinguent.

Démarrage raccourci grâce à la mise en service virtuelle

En examinant le processus de mise en service virtuelle, on peut voir qu'avant que l'équipement physique de la machine soit disponible, son programme PLC réel est connecté à la version virtuelle de la machine. Les ingénieurs peuvent tester les séquences, les verrouillages, la logique de sécurité, la gestion des IHM et des pannes, réduisant ainsi les erreurs de programmation issues de la production précédente. Le pourcentage de réduction peut être, par exemple, de 80% lors de l'utilisation de modèles de robots haute fidélité. Même avec des simulateurs basiques, une grande partie de la confusion au démarrage est atténuée.

Simulation de capacité et de goulot d'étranglement

Chaque station d'automatisation est aussi rapide que la plus lente d'entre elles. Grâce à une simulation du processus productif réel, les ingénieurs peuvent optimiser le temps de travail de chaque station avant sa réalisation physique. Prenons l'exemple d'un disjoncteur : un Ligne d'assemblage automatique MCB fonctionnant à 3 secondes par unité produit environ 1 200 disjoncteurs par heure, tandis qu'un Ligne de test automatique MCB peut en tester 1 800 à 2 400 par heure. La simulation permet de conclure que l'assemblage limite davantage le processus que le test.

Prédiction de maintenance et qualité en boucle fermée

Après le démarrage de la ligne, le jumeau de performance peut fournir des informations telles que le nombre de cycles des cylindres, le courant des moteurs et les forces de pressage. Ensuite, les tendances sont analysées pour détecter l'usure de la ligne avant sa rupture ou une déviation qualitative. Par exemple, l'altération à long terme des résultats de temps de déclenchement lors de la calibration signifie une défaillance du parchemin avant que l'appareil n'atteigne la limite de la norme IEC 60898-1.

Exécution rapide des changements de série et vérification

Les fabricants dans le domaine des applications basse tension constatent un besoin constant d'ajouter de nouvelles tensions nominales et autres paramètres. Sur un Ligne de production automatique MCCB couvrant de 100 à 1 600 A, où les changements de taille de cadre prennent 30 à 60 minutes avec des outils à changement rapide, la validation de chaque nouvelle recette protège virtuellement cette fenêtre de changement.

Points douloureux typiques dans les lignes d'assemblage et de test de disjoncteurs

Comment les petits et moyens fabricants peuvent commencer

Les études de cas Siemens et Schneider impliquent de grandes équipes et des initiatives pluriannuelles. La plupart des usines de taille moyenne n'ont pas besoin d'un jumeau numérique complet de l'usine pour en bénéficier. De telles initiatives peuvent commencer petit et couvrir une grande partie du processus de développement, comme expliqué ci-dessous :

1. Choisissez une ligne ou une station critique. Réalisez la modélisation 3D de la ou des stations choisies ainsi que du système de convoyeur, puis connectez le programme PLC réel pour la mise en service virtuelle.
2. Construisez un modèle 3D avec mouvement et logique. Faites fonctionner l'échantillon de produit réel et identifiez les goulots d'étranglement et les modifications.
3. Simulez la capacité et les variantes. Après avoir fait fonctionner la ligne, les intervalles de temps, les pannes et les tests doivent être envoyés au MES ou au stockage des fournisseurs afin que tout fonctionne comme prévu.
4. Connectez les données en direct. Une fois la ligne en fonctionnement, transmettez les temps de cycle, les défauts et les résultats des tests au MES ou à une base de données pour que le modèle reflète la réalité.
5. Ajoutez l'analyse de maintenance et de qualité. Il est désormais possible de déterminer quand l'équipement doit être entretenu en analysant les données ci-dessus.
6. Passez à la ligne suivante. Réutilisez les modèles, bibliothèques et structures de données pour le projet suivant.

L'honnêteté est la clé en termes de coût. L'introduction de programmes de simulation, de modélisation et d'intégration des données prend du temps et engendre des dépenses, surtout si vos cousins ne disposent pas de données utiles. Pour comprendre comment les couches d'automatisation s'articulent, consultez nos articles sur automatisation totalement intégrée et la gestion des opérations de fabrication; pour les gammes d'investissement, voir le avantages en termes d'efficacité de l'automatisation industrielle; et pour choisir un type de ligne, consultez notre guide sur choisir une ligne de production automatisée.

Conclusion : Les jumeaux numériques sont devenus un outil compétitif

En mettant en œuvre des jumeaux numériques, Siemens a réussi à réduire le processus de circulation des matériaux à Erlangen de 40% et à créer un modèle virtuel de son usine à Nanjing avant sa construction réelle. Schneider Electric a réduit la consommation d'énergie dans son site de Wuxi en appliquant la technologie du jumeau numérique et en améliorant l'efficacité de son flux de travail dans d'autres usines intelligentes. ABB affirme avoir réduit le temps de mise en service jusqu'à 80%. Ces gains sont de véritables résultats de performance et non de simples innovations marketing.

Pour les entreprises souhaitant améliorer la productivité de leur processus de mise en œuvre technologique en modernisant leur ligne de production, un jumeau numérique peut être une solution essentielle.

Références

• Siemens – Le jumeau numérique à l'usine d'électronique d'Erlangen – circulation des matériaux, simulation AGV, formation IA et time-to-market.
• Siemens – Erlangen nommé Digital Lighthouse (2024) – résultats de productivité et d’énergie.
• Siemens – Usine d'électronique d'Amberg – variantes, changements et données d'entreprise numériques.
• Siemens – Nanjing nommé Global Lighthouse (2026) – usine conçue virtuellement et résultats IA.
• Schneider Electric – Reconnaissance Lexington et Wuxi Lighthouse (2021) – résultats énergétiques du jumeau numérique et gestion énergétique IoT.
• Schneider Electric – Lighthouses Shanghai et Monterrey (2024) – produits, technologies et résultats.
• Assembly Magazine – À l'intérieur de l'usine intelligente de Schneider Electric – réalité augmentée et économies d'énergie et de maintenance à l'échelle de l'entreprise.
• ABB – RobotStudio HyperReality (2026) – corrélation sim-to-real et temps de mise en service.
• Eaton – L’usine intelligente de Changzhou rejoint le Réseau mondial Lighthouse – simulation et résultats du jumeau numérique.

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