Le plus haut niveau d'automatisation se trouve dans

Lorsqu'une plaquette de silicium est fabriquée dans une installation de fabrication de semi-conducteurs à Taïwan pour être utilisée dans un processeur valant plusieurs millions de dollars, elle est produite à partir de polysilicium brut, et tout est réalisé sans intervention humaine, de l'étape initiale à l'étape finale. La plaquette passe par de nombreuses étapes de processus, toutes gérées par une technologie automatisée dans une salle blanche avec un air purifié mille fois plus propre que celui d'une salle d'opération médicale. Les machines communiquent entre elles afin de terminer leur travail simultanément. Le Système d'Exécution de la Gestion (MES) suit les développements et les processus en cours. En cas de dysfonctionnement, il peut résoudre le problème lui-même sans intervention d'un ingénieur humain et enregistrer l'événement dans la base de données. La fonction de maintenance prédictive de la technologie permet de planifier les travaux de maintenance pendant les temps d'arrêt des machines. Cela représente le plus haut niveau d'automatisation possible aujourd'hui, car il dépasse la simple robotique, tous les aspects de l'opération étant étroitement intégrés en une seule unité. Comprendre ce à quoi ce niveau ressemble et ce qu'il signifie permet de saisir les types d'automatisation existants dans le monde aujourd'hui et qui peuvent être utiles dans le processus de production de chaque type de produit.

Résumé : Le niveau d'automatisation le plus avancé dans la production est l'usine entièrement intégrée, pilotée par les données et auto-optimisée, communément appelée Industrie 4.0 ou fabrication sans opérateur (lights-out manufacturing). Dans ce type d'usine, tous les processus, depuis l'arrivée des matières premières jusqu'à l'expédition des produits finis, testés et certifiés, sont automatisés, interconnectés et contrôlés par des couches de logiciels, incluant les PLC et SCADA pour l'opération au niveau des machines, le MES (Système d'Exécution de Fabrication) pour le processus de la ligne de production et l'ERP (Planification des Ressources de l'Entreprise) pour les activités commerciales.

À quoi ressemble le plus haut niveau d'automatisation : l'usine entièrement intégrée et auto-optimisée

Le plus haut niveau d'automatisation dans la fabrication n'est pas une seule machine ni une seule plateforme logicielle. C'est une architecture — une pile de technologies qui travaillent ensemble pour transformer une commande client en un produit expédié avec une intervention humaine minimale. L'architecture comporte trois couches, chacune devant être présente pour que l'usine fonctionne au plus haut niveau.

Couche Un : L'automatisation physique — les machines, les robots et la manutention des matériaux. Au plus haut niveau de fonctionnement, chaque activité pouvant être automatisée l’est effectivement. Dans une bonne perspective, la ligne de production n’est pas simplement un ensemble de stations semi-automatisées avec des transferts manuels entre elles, mais plutôt un flux continu dans lequel le produit se déplace d’une position à une autre à travers le système grâce au système de convoyage, ou quelque chose de similaire. Les stations effectuent des opérations liées à un ou plusieurs processus complexes tels que l’assemblage, le soudage, etc., et aucun opérateur ne charge/décharge la pièce. Les machines n’appartiennent pas à un type particulier : elles sont flexibles et capables de travailler avec de nombreux types de produits. Les machines disposent de différents dispositifs installés, c’est-à-dire qu’il y a des moteurs et des capteurs qui rapportent l’état des dispositifs. Pour l’entreprise qui fabrique des dispositifs pour applications de protection électrique, la couche un inclut également les lignes de fabrication utilisées pour assembler et tester les disjoncteurs MCB, MCCB et les contacteurs. Un Ligne d'assemblage automatique MCB qui intègre l’alimentation des pièces, l’assemblage, l’étalonnage, les tests, le marquage et le tri en un flux continu unique, produisant un disjoncteur étalonné et certifié toutes les quelques secondes, est un exemple de l’automatisation physique requise au plus haut niveau. Pour un examen plus approfondi des stations de test intégrées dans ces lignes, notre guide sur Qu'est-ce qu'une ligne de test automatique MCB ? explique l’étalonnage, le déclenchement magnétique et les tests haute tension qui doivent être effectués sur chaque unité.

Couche 2 : L’infrastructure de données et de contrôle — Système de contrôle supervisé et acquisition de données (SCADA), Système d’exécution de fabrication (MES), Fil numérique. L’équipement de l’usine génère beaucoup de données utiles — paramètres de processus, données de qualité, codes d’erreur, consommation d’énergie et temps de cycle. Le niveau d’automatisation le plus élevé doit suivre tous ces points de données, fournir un contexte pour le processus et les transmettre au système et aux personnes qui les utiliseront. Le système SCADA est conçu pour faciliter le suivi de toutes les données en temps réel à partir des automates programmables (PLC), des variateurs, des capteurs sur les machines qui donnent une vue d’ensemble de l’usine et informent un opérateur des alarmes et des écarts. Le MES fonctionne au-dessus du SCADA car il est responsable de la gestion des ordres de production, de l’avancement de chaque article particulier sur la ligne, de l’enregistrement des données de processus sur l’unité et des données de qualité relatives à l’unité. Le MES est un système capable de tracer toutes les informations nécessaires pour la certification et la compréhension de la garantie — après avoir quitté l’usine, chaque disjoncteur pourra montrer ses informations d’étalonnage, ses résultats de test, ainsi que les informations sur la machine, l’opérateur et la matière première avec laquelle il a été fabriqué. Le système ERP (Enterprise Resource Planning) est établi au-dessus du MES et consiste à gérer les commandes, les inventaires, les chaînes d’approvisionnement, les finances. Les recherches de McKinsey & Company sur la fabrication numérique identifient cette intégration verticale comme le facteur unique le plus important permettant les améliorations de productivité, de qualité et de flexibilité promises par l’Industrie 4.0.

Couche Trois : L'Intelligence et l'Autonomie — Analyse Prédictive, IA, et Contrôle en Boucle Fermée. Le niveau d'automatisation le plus avancé ne se contente pas d'informer sur les événements. Il fournit des prévisions sur les développements futurs et agit sur ces prévisions sans aucune commande humaine. Par exemple, un algorithme de maintenance prédictive surveille des paramètres tels que la signature vibratoire, le courant du moteur et la température d'une broche cruciale ou d'une articulation de robot, et planifie la maintenance lors du prochain arrêt programmé avant qu'un élément ne tombe en panne et provoque un arrêt non planifié. Un système de vision piloté par IA contrôle la qualité de chaque produit à la vitesse de la ligne, détectant des défauts qui ne peuvent pas être identifiés par un système basé sur des règles, et apprend à reconnaître de nouveaux types de défauts au fur et à mesure de leur apparition. Un algorithme de contrôle de processus en boucle fermée surveille le niveau du paramètre de qualité, par exemple la calibration d'un dispositif thermique de déclenchement ou le paramètre de qualité d'une connexion soudée, ajustant automatiquement les variables du processus afin que la sortie reste dans la plage de spécification sans intervention de l'ingénieur de procédé. À ce niveau, le rôle des humains n'est pas d'opérer les machines, de vérifier les produits ou d'enregistrer les informations. Au contraire, la tâche humaine est de gérer les exceptions, d'enquêter sur les cas que le système ne peut pas diagnostiquer, et de prendre les décisions de production indispensables. Fédération Internationale de Robotique (IFR) et Deloitte ont documenté l'adoption croissante de l'inspection qualité pilotée par IA et de la maintenance prédictive, et la tendance est claire : le plus haut niveau d'automatisation est celui où l'usine apprend.

La Pyramide de l'Automatisation : Cinq Niveaux du Manuel à l'Autonome

Le niveaux d'automatisation dans la fabrication sont souvent décrits comme une pyramide, avec le plus simple à la base et le plus avancé au sommet. Le tableau ci-dessous résume les cinq niveaux, les caractéristiques clés de chacun, ainsi que les industries et volumes pour lesquels chacun est typiquement adapté.

Le cadre Industry 4.0 et la pyramide de l’automatisation

Le cadre des niveaux d’automatisation peut être reconnu dans peu d’autres cadres, mais le plus courant est le modèle de maturité Industry 4.0, développé par des institutions telles que l’Académie allemande des sciences et de l’ingénierie (acatech), et utilisé par différents fabricants et sociétés de conseil à travers le monde. Industry 4.0 peut être défini comme une étape allant de l’Industrie 1.0 (mécanisation, machines à vapeur) à l’Industrie 2.0 (production de masse et électricité) et à l’Industrie 3.0 (développement des ordinateurs et des automates programmables pour l’automatisation de certains processus) pour finalement atteindre la dernière étape du modèle de maturité, qui implique un système de production entièrement autonome et piloté par les données. Les niveaux d’automatisation élaborés dans ce guide, allant du Niveau 0 (manuel) au Niveau 4 (auto-optimisant), s’insèrent dans ce modèle, permettant ainsi aux fabricants de comprendre à la fois leur position actuelle dans le parcours vers une meilleure production et leurs objectifs. D’un point de vue pratique, la pyramide des niveaux est construite de bas en haut, où différents types de machines sont placés, puis divers systèmes de contrôle incluant les automates programmables (PLC) et les systèmes SCADA, suivis par le MES et atteignant la dernière étape avec le système ERP. Il n’est pas possible d’acheter simplement une machine pour atteindre le Niveau 4. Il est nécessaire de passer par toutes les phases sans aucune mauvaise communication entre les niveaux de l’architecture d’automatisation, ce qui implique pour un fabricant de commencer par au moins un processus automatisé. Par exemple, durant cette phase initiale, les fabricants peuvent commencer l’automatisation d’un processus critique pour la qualité, tel que la calibration ou les tests. Le principe que Benlong Automation applique dans tous ses processus de fabrication est que tous les dispositifs, y compris les automates programmables, les interfaces homme-machine (HMI) et les communications, doivent être compatibles et fonctionner ensemble afin de permettre aux fabricants de mettre en œuvre un système de production entièrement automatisé.

Foire aux questions

Qu’est-ce qu’un haut niveau d’automatisation ?

Le degré le plus élevé d’automatisation dans la fabrication se manifeste dans l’usine intégrée, centrée sur les données et auto-optimisante, connue sous le nom d’Industry 4.0 ou de fabrication Lights-Out. Cette automatisation a rendu les processus de production entièrement automatisés, avec un flux de données vertical depuis le capteur jusqu’à l’ERP et horizontal entre les étapes du processus. L’analyse facilitée par les technologies de l’information permet d’anticiper les défaillances et d’exécuter les tâches routinières sans intervention humaine. Le rôle humain, cependant, est stratégique, c’est-à-dire qu’il comprend la gestion des exceptions, l’amélioration du système et la prise de décisions qui ne relèvent pas des compétences du système automatisé.

Quels sont les niveaux d’automatisation ?

Les niveaux d'automatisation dans la fabrication sont considérés comme une séquence de cinq niveaux : Niveau 0 (opération manuelle), Niveau 1 (cellules semi-automatisées — processus réalisé avec l'aide de la machine mais avec manipulation manuelle du matériau), Niveau 2 (ligne entièrement automatisée — processus et manipulation des matériaux effectués par la machine et organisés pour un seul produit), Niveau 3 (automatisation intégrée et flexible — plusieurs lignes sont connectées en réseau par un système de surveillance de la production et de manutention automatisée des matériaux), Niveau 4 (automatisation auto-optimisante et auto-gérée — l'ensemble de l'usine est intégré, intelligent et presque autorégulé).

Qu'est-ce que l'automatisation de niveau 4 ?

L'automatisation de niveau 4 implique la forme la plus complète d'automatisation, une usine prédictive et auto-optimisante. Toute la manutention des matériaux et les processus de production sont physiquement automatisés ; les données sont entièrement intégrées verticalement et horizontalement — des capteurs à l'ERP — des fournisseurs aux clients ; des algorithmes basés sur l'IA sont utilisés pour la maintenance prédictive et le contrôle de processus en boucle fermée. La conséquence est une usine capable de fonctionner sans intervention humaine, mais seulement en termes de supervision stratégique, de rectification des problèmes et d'améliorations continues.

Qu'est-ce que le niveau 3 en automatisation ?

Le niveau 3 d'automatisation fait référence à l'usine interconnectée, intelligente et flexible. Dans ce type d'usine, différentes lignes d'automatisation sont combinées via un système central d'exécution de la fabrication (MES) qui gère les ordres de production, surveille le travail et enregistre les informations qualité de chaque article produit. Ces lignes peuvent passer à n'importe quelle variante de produit simplement en changeant la recette. La manutention automatique des matériaux est mise en œuvre à l'aide de véhicules à guidage automatique (AGV), de robots mobiles autonomes (AMR) ou de stockage automatique des matériaux dans l'usine. Le flux de travail entièrement intégré permet d'obtenir des données à tous les niveaux, du capteur au MES puis au système ERP. L'automatisation de niveau 3 est généralement mise en œuvre dans les secteurs de l'automobile, des équipements médicaux et de la production d'énergie.

Références

• acatech — Indice de maturité Industrie 4.0. Le cadre de l'Académie allemande des sciences et de l'ingénierie pour évaluer et faire progresser le niveau d'automatisation et d'intégration numérique d'un fabricant.
• McKinsey & Company — Fabrication numérique et Industrie 4.0. Recherche sur l'impact de l'intégration verticale et horizontale des données sur la productivité et la qualité, ainsi que sur le retour sur investissement des technologies Industrie 4.0 qui caractérisent les niveaux les plus élevés d'automatisation.
• Fédération Internationale de la Robotique (IFR) — Rapport mondial sur la robotique. Données annuelles sur les installations de robots par industrie et par pays, y compris les taux d'adoption de l'automatisation flexible et intégrée qui caractérise les niveaux supérieurs de la pyramide d'automatisation.
• International Society of Automation (ISA) — Norme ISA‑95 pour l'intégration des systèmes d'entreprise et de contrôle. La norme internationale qui définit l'architecture et les modèles de données pour l'intégration verticale entre le plancher de l'usine et les systèmes d'entreprise — l'architecture requise par le plus haut niveau d'automatisation.

Le sommet de l'automatisation se situe dans l'usine où les machines, les applications, les données et les processus ne sont pas simplement interconnectés mais entièrement intégrés, où la commande client circule sans effort entre l'ERP, le MES et le processus de production, où chaque donnée liée à la qualité de chaque article est associée à son numéro de série et peut être utilisée à tout moment durant tout le cycle de vie de l'article, et où les écarts peuvent être reconnus, déterminés et corrigés avant qu'un opérateur humain ne comprenne qu'un changement est survenu. Atteindre ce niveau nécessite des investissements importants. Cela n'est possible qu'en construisant la pyramide d'automatisation depuis la base, en commençant par l'automatisation physique des processus critiques pour la qualité, puis en fournissant une infrastructure de données qui connecte les machines au MES, et en utilisant des mécanismes d'intelligence, d'IA, d'analytique prédictive, de contrôle en boucle fermée pour rendre l'usine auto-optimisante. Le processus est initié par le fabricant d'équipements électriques qui utilise un banc de calibration semi-automatisé ou une cellule d'assemblage, qui peut ensuite être appliqué à d'autres processus étape par étape tant qu'il y a un volume de production adéquat, des données suffisantes prouvant un retour sur investissement accru, et une expérience dans l'utilisation de la technologie. Benlong Automation fournit tous les types de machines nécessaires à la construction de la pyramide d'automatisation en commençant par l'usine avec des équipements autonomes et semi-automatisés.