Contribution à la conception, l'évaluation et l'implémentation de systèmes de production cyber-physiques

Les industries du futur sont en plein cœur de nombreuses perspectives de recherche dans le monde, sous des noms tels qu’Usines du Futur, Industrie 4.0 ou Systèmes cyber-physiques. Cette dernière terminologie, apparue au milieu des années 2000, a reçu un accueil favorable de la communauté et tend à devenir un concept englobant de nombreux domaines de recherche jusqu’alors faiblement connectés. Ce mémoire propose un aperçu des axes de recherche actuels et des applications proposées de ce qui constitue les systèmes cyber-physiques de production (Cyber-Physical Production Systems – CPPS).Outre l’aspect mécatronique du CPPS, il s’agit généralement de concevoir un système de CPPS, dont les interactions vont permettre de faire émerger en temps réel un comportement permettant d’augmenter les caractéristiques de flexibilité, reconfigurabilité ou encore agilité du système de production complet. Sur ces notions en particulier, les travaux de la communauté française sont principalement structurés autour du groupe de travail IMS² du GDR MACS. Nos travaux s’inscrivent totalement dans les axes définis par ce groupe, que ce soit en terme d’agilité, de durabilité ou du développement de nouvelles technologies pour les systèmes de production. Ce mémoire a pour objectif de présenter les travaux relatifs à ces différents axes réalisés à l’IRCCyN et l’IUT de Nantes (Université de Nantes).Le fondement de ces travaux tient au développement d’un observateur à événements discrets basés sur des outils de simulation de flux, connectés en temps-réel au système de production. Cet outil a pour objectif de servir de base à un outil d’aide à la décision à court terme, permettant de prendre en compte à la fois l’état réel du système et le comportement émergent de la commande. Cet élément est généralement défini comme étant l’un des outils indispensables au développement d’une commande performante des nouveaux systèmes. Nos travaux ont permis de proposer une méthodologie générale de conception de l’outil, basée sur une génération con-jointe du code de la commande et de l’observateur utilisant les outils de l’Ingénierie Dirigée par les Modèles.La prise en compte de l’énergie dans la commande des systèmes industriels est un enjeu important pour les années à venir. A l’heure actuelle, il y a un déficit d’outils permettant la prise en compte efficace de ces notions dans les décisions de pilotage. L’une des raisons expliquant ce manque est la difficulté d’intégrer aux outils de simulation à événements discrets cette dimension énergétique couplée à la notion classique de flux. Nos travaux ont permis la définition de méthodologies de gestion des données de consommation énergétique et leur intégration au sein d’un outil de simulation de flux. En comparant le fonctionnement d’un système sur plusieurs semaines à celui estimé par l’outil sur la base de relevés expérimentaux et du planning de production réalisé, nous arrivons à des précisions avoisinant les 3% sur la consommation énergétique du système. Cet outil constitue un premier pas permettant à terme à la commande du système de disposer d’informations relatives à la consommation énergétique actuelle ou future du système pour améliorer sa prise de décision.Au niveau de la commande à proprement parler, les outils de l’Informatique Industrielle évoluent et promettent d’intégrer de plus en plus d’outils provenant de l’Informatique. Ainsi, les concepts de systèmes multi-agents trouvent-ils écho dans les systèmes de production holoniques, ou encore les architectures orientées-services proposent-ils une réponse partielle aux problèmes de flexibilité de la commande. Nous avons mené pendant plusieurs années des travaux permettant de proposer une architecture de référence mêlant holons et services (Service-oriented Holonic Manufacturing Systems – SoHMS). Le développement complet d’un démonstrateur robotisé et automatisé de taille industrielle a permis de démontrer la faisabilité de l’approche et la performance du contrôle sur une architecture totalement sans automates.Ces notions de systèmes de production holoniques ont toujours été axés sur la production manufacturière, c’est-à-dire sur de la production discrète. Dans le cadre d’une coopération internationale avec le Venezuela, nous avons pu étudier le cas de productions continues, telles que peuvent l’être la production pétrolière par exemple. Nos travaux ont permis de montrer l’applicabilité des architectures discrètes sur des cas continus au prix de modifications mineures, dans ce qui constitue une extension de l’une des plus célèbres architectures de référence en une architecture dénommée H²CM.