Les consommateurs exigent des produits hautement personnalisés et différenciés, ce qui oblige les fabricants OEM à s’équiper de machines sophistiquées. Pour pouvoir respecter le cahier des charges de ces machines modernes complexes, leurs constructeurs doivent utiliser la simulation très tôt et de manière fréquente au cours du processus de conception et de vérification. Cependant, pour pouvoir se fier davantage à la simulation virtuelle, réduire au maximum le nombre de prototypes et d’essais à réaliser et donc innover plus vite, il est crucial de corréler les simulations avec la manière dont les machines fonctionnent réellement dans l’environnement physique. Utiliser un processus de validation en boucle fermée, tel que l’ingénierie des performances intelligente (IPE, pour Intelligent Performance Engineering), permet de vérifier la simulation grâce au retour en temps réel fourni par les données machine générées par les capteurs.
Une exigence de complexité, d’efficience et de productivité
Les consommateurs exigent de plus en plus des offres composées de produits et de services intégrés et adaptés à leurs besoins particuliers. Par conséquent, pour pouvoir répondre aux demandes spécifiques de leurs clients, les constructeurs de machines doivent proposer avec celles-ci une palette d’options de personnalisation plus étendue. Parallèlement, le marché est devenu plus exigeant en ce qui concerne la productivité, les performances, l’efficacité énergétique, la qualité et la sécurité de ces machines plus complexes, qui doivent également intégrer des technologies avancées pour permettre de créer des systèmes connectés intelligents. Ces systèmes combinent des éléments mécaniques ou électriques, des commandes et d’autres fonctionnalités, ce qui permet aux constructeurs de produire des machines qui sont non seulement hautement adaptables et personnalisables, mais aussi fiables et efficientes. En outre, dans le monde entier, les constructeurs de machines sont confrontés à la menace que représente la concurrence à bas coût. Pour que les leaders du secteur puissent prospérer dans cet environnement, ils doivent effectuer leur transformation numérique afin de développer leurs capacités d’innovation et de différenciation et de rendre leurs produits plus compétitifs en termes de coût, et ainsi se démarquer de leurs concurrents. L’IPE leur permet de progresser en les aidant à élaborer plus vite de meilleures conceptions et à booster leur productivité.
L’IPE permet aux équipes d’évaluer dans un environnement virtuel les nombreuses variantes requises pour leurs machines de nouvelle génération, afin de trouver de manière efficiente un équilibre optimal entre le coût, les performances et les autres exigences cruciales, tout en maximisant la fiabilité des produits.
Pour aider les constructeurs de machines à se différencier, l’IPE met à leur disposition trois outils-clés :
- essais et simulation multiphysiques
- conception et simulation intégrées
- validation en boucle fermée
Les essais et la simulation multiphysiques englobent un grand nombre de physiques et de disciplines afin de permettre aux ingénieurs de trouver un équilibre entre les différents attributs pour optimiser la complexité des machines industrielles. La conception et la simulation intégrées permettent aux concepteurs et aux ingénieurs en simulation d’utiliser le même modèle au sein d’un même système, ce qui aide à stimuler l’innovation et à booster la productivité grâce à la simulation. Simuler les machines intelligentes dès les premières phases de leur conception permet de réduire non seulement les délais de développement mais aussi les risques. Enfin, la validation en boucle fermée, objet de cet article, permet de confirmer les simulations en capturant et testant la relation entre le cahier des charges, l’agencement fonctionnel et les mises en œuvre logique et physique.
Combiner les essais et la simulation
La validation en boucle fermée permet aux constructeurs de machines de progresser en douceur à travers les étapes de conception, de mise en service, puis d’exploitation des machines sur le terrain, et de répéter ce processus en boucle. Cette méthode de travail, basée sur le jumeau numérique de la machine, aide les équipes chargées de la conception, de la simulation et des essais à comprendre et prévoir les performances de la machine physique dans différentes conditions, avant, pendant et après la construction d’un prototype physique.
La conception et la simulation intégrées constituent une base complète pour le jumeau numérique, dans laquelle de nombreuses disciplines d’ingénierie enregistrent, dans un référentiel centralisé, les résultats de la simulation et de la validation. Les équipes peuvent ainsi évaluer avec une grande efficience les possibilités et les limites des variantes d’un produit, et ce grâce à l’intégration entre les concepteurs, les analystes et les données réelles – qui vise principalement à améliorer les indicateurs de conception clés. Les continuités numériques contribuent également à automatiser le partage des informations entre les équipes d’ingénierie, les analystes de production, les équipes d’essai et les ingénieurs de maintenance. Les constructeurs utilisent un jumeau numérique soutenu par ces continuités numériques pour augmenter la flexibilité de leur processus de conception, booster leur productivité et améliorer leurs processus d’innovation, afin de créer la nouvelle génération de machines industrielles intelligentes.
Lors de l’étape de conception et de simulation, valider la machine virtuelle à l’aide d’un jumeau numérique permet à l’équipe de vérifier très tôt les conceptions, de tester rapidement plusieurs configurations et de comprendre l’impact mutuel des variables, sans avoir besoin de construire un prototype physique coûteux. Toutefois, ces simulations nécessitent de simplifier la réalité sur la base d’hypothèses raisonnées. Par conséquent, le jumeau numérique virtuel peut ne pas tenir compte de certains critères réels et conditions environnementales exactes qui affecteront la machine dans le monde physique. C’est pourquoi, pour s’assurer que les hypothèses de simulation n’ont pas négligé des comportements-clés et que la conception n’a pas été simplifiée à l’excès, il est crucial de tester et valider les machines dans l’environnement réel. C’est là que le processus de validation en boucle fermée entre en jeu.
Fermer la boucle pour pouvoir produire des machines optimisées
Lorsqu’une machine accède à l’état de prototype physique, puis au stade de la production, elle peut être validée par des essais, puis par l’étude de son fonctionnement. Son constructeur peut installer et connecter les capteurs adéquats pour collecter en temps réel les véritables données de performance opérationnelle, qui seront complétées par celles issues des capteurs virtuels. En fournissant des données sur les débits de production et les niveaux de bruit et de vibration, la validation en boucle fermée permet d’étudier de manière approfondie le fonctionnement de la machine pour déterminer si elle répond aux besoins du client. Elle fournit également un retour en temps réel qui peut être réinjecté dans le jumeau numérique afin de valider et d’améliorer la précision des critères de test pour les futurs modèles de simulation. Ce processus connecte efficacement les données de simulation à la conception, garantissant ainsi l’exactitude des modèles et permettant aux constructeurs de mieux comprendre le processus de validation, d’affiner les paramètres et d’améliorer leurs futures opérations de conception et d’ingénierie.
En outre, les processus de validation en boucle fermée peuvent valider les simulations en capturant et validant les relations entre les différentes exigences de conception, y compris l’agencement fonctionnel de la machine, la mise en œuvre logique du code d’automatisation et la mise en œuvre physique du module. Une meilleure validation peut permettre de s’assurer à moindre frais — avant de lancer la production — que les modifications apportées donneront bien les résultats escomptés.
Avantages pour le cycle de vie des machines
- Maintenance prédictive : La validation en boucle fermée génère de la valeur pendant toute la durée de vie d’une machine. Elle utilise l’analyse intelligente pour extraire de nouvelles informations des données opérationnelles de la machine et permettre ainsi au constructeur de créer de meilleurs produits. Elle permet à l’exploitant de la machine, qui connaît l’utilisation réelle de celle-ci, d’anticiper les opérations de maintenance avant qu’un problème critique ne survienne. En outre, en combinant les données issues du monde réel et le jumeau numérique, elle permet de prévoir les différents états de la machine en fonction de ses charges réelles. Elle permet également de surveiller le comportement de la machine et l’évolution de ses performances afin de pouvoir anticiper les problèmes et planifier la maintenance en cas de besoin, et donc d’éviter une situation critique due à un problème imprévu ou à un arrêt de la machine. Ce processus permet d’utiliser la maintenance prédictive pour entretenir la machine lorsque cela s’avère nécessaire, éliminant ainsi les risques de dégradation de ses performances avant qu’ils ne se transforment en problèmes majeurs pouvant impacter la chaîne de fabrication.
- Performances des machines : Intégrer l’environnement de simulation et les essais favorise aussi une meilleure adaptabilité des machines. En injectant les données issues du monde réel dans l’environnement de simulation, l’utilisateur de la machine peut étudier comment des modifications dans l’utilisation de la machine impacteront certains objectifs de performances. Par exemple, supposons que faire fonctionner le moteur d’une machine à 100 tours par minute induise des problèmes de débit et génère une chaleur excessive. L’opérateur pourrait utiliser le jumeau numérique de la machine, qui contient les données opérationnelles réelles, pour évaluer rapidement différents choix de vitesse, et conclure qu’une valeur de 70 tours par minute permet de maintenir le débit souhaité sans impacter les performances globales de la machine.
- Mise en service sur site : La validation en boucle fermée accélère la mise en service des machines. En effet, le jumeau numérique peut permettre de procéder à une mise en service virtuelle avant d’installer la machine dans l’usine du client, en virtualisant une grande partie du processus de vérification et d’optimisation requis pour la mise en service physique. Désormais, les ingénieurs peuvent mettre en service virtuellement le contrôleur logique programmable dans le modèle de simulation de la machine, réduisant ainsi les risques et le délai nécessaire pour la programmation et la mise en service physique.
- Ingénierie des machines : Pour les constructeurs de machines, la validation en boucle fermée pendant toute la durée d’utilisation de leurs machines constitue un atout important pour la qualité de leurs futurs produits. En effet, ils peuvent tirer parti de la puissance de l’Internet des objets industriel (IIoT) pour collecter en temps réel sur le terrain les données de performance de leurs machines et les stocker dans un environnement centralisé sûr. Ces informations sont ensuite réinjectées dans le jumeau numérique et analysées afin d’améliorer au fur et à mesure la précision des modèles. Intégrer toutes ces données dans le jumeau numérique permet aux constructeurs de les exploiter pour améliorer les performances et la production de leur prochaine génération de machines.
- Performances des composants des machines : Ces données réduisent aussi le coût des développements complémentaires en permettant aux constructeurs et à leurs fournisseurs de valider virtuellement les performances des composants pendant la phase de conception, stade auquel cette validation est plus économique et plus efficace. Cela les aide à s’assurer que les variantes personnalisées fonctionnent bien comme prévu avant d’en démarrer la production.
Produire plus vite des machines complètement optimisées
La validation en boucle fermée intègre les données et l’environnement réels dans l’environnement de conception afin d’améliorer globalement les performances, la conception et les fonctionnalités des machines de nouvelle génération, pour permettre de résoudre rapidement les problèmes rencontrés par les utilisateurs pendant le cycle de vie de ces machines.
En combinant cette validation aux autres fonctionnalités puissantes que sont la simulation multiphysique et la conception et la simulation intégrées, l’IPE (Intelligent Performance Engineering) permet aux constructeurs de machines de répondre avec confiance aux exigences du marché malgré leur évolution constante. Il est désormais possible d’améliorer de façon rapide et économique les performances, l’efficacité énergétique et la sécurité des machines actuelles et futures, qui sont toujours plus complexes et doivent intégrer des technologies sophistiquées. Les constructeurs peuvent concevoir et produire des machines hautement personnalisées se démarquant fortement de la concurrence, afin de répondre aux attentes spécifiques de leurs clients.
Solutions logicielles
Siemens Digital Industries Software fait progresser la transformation afin de permettre l’avènement d’une entreprise d’un genre nouveau – l’entreprise numérique –, dans laquelle l’ingénierie, la fabrication et la conception électronique utilisent les technologies de demain.
Xcelerator est un portefeuille complet et intégré qui comprend des logiciels, des services et une plateforme de développement d’applications. Il accélère la transformation numérique des entreprises et déclenche un puissant effet de réseau industriel, deux conditions essentielles pour pouvoir transformer la complexité en avantage concurrentiel – quels que soient l’entreprise et le secteur d’activité – et effectuer une transition en douceur afin d’être en mesure de créer les machines complexes et efficientes de demain.
Découvrez plus en détail l’Intelligent Performance Engineering et la validation en boucle fermée. Rahul Garg est le vice-président responsable de la division Constructions mécaniques et du programme PME de Siemens Digital Industries Software. Il est chargé de définir et mettre en œuvre des initiatives et des solutions stratégiques clés et d’assurer le développement commercial international. Avec son équipe, il a pour mission d’identifier les initiatives stratégiques requises, de développer des solutions pour le secteur industriel en étroite collaboration avec des entreprises clientes leaders, et d’assurer un leadership intellectuel sur les nouveaux problèmes auxquels le secteur est confronté. Son expérience et ses compétences sont le fruit de 25 ans de carrière dans le domaine de la fourniture, au secteur manufacturier mondial, de solutions logicielles favorisant l’innovation en matière d’ingénierie et de fabrication de produits. Il a travaillé dans la recherche et le développement, mais a aussi occupé des postes de direction dans les domaines des programmes, des ventes et de la gestion des pertes et profits. Depuis 2007, il s’est spécialisé dans le secteur des constructions mécaniques et des équipements lourds.
