FR3040800A1 - Procede de determination de l'etat de fonctionnement d'un systeme de production industrielle - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé de détermination automatique de l'état de fonctionnement d'un système de production industrielle, ledit système de production industrielle étant mis en œuvre par plusieurs machines (M1, M2, M3, M4), pour chaque machine dotée d'une alimentation électrique, au moins un capteur (S1, S2, S3, S4) est positionné pour mesurer, sur une période déterminée, une grandeur électrique de manière à obtenir des données analogiques liées à la consommation électrique de la machine, ledit procédé comportant : - une phase d'apprentissage comprenant une création d'une table de vérité associant l'état de fonctionnement de chaque machine à l'état de fonctionnement du système de production industrielle, - une phase d'exploitation comprenant une détermination de l'état de fonctionnement du système de production industrielle par lecture de ladite table de vérité générée.

Description

Domaine technique de l'invention
La présente invention se rapporte à un procédé de détermination de l’état de fonctionnement d’un système de production industrielle qui comporte plusieurs machines dotées chacune d’une alimentation électrique.
Etat de la technique
Pour différentes raisons, connaître l’état de fonctionnement d’une ligne de production, plus généralement d’un système de production industrielle, présente un intérêt, notamment dans le domaine de l’efficacité énergétique. En effet, optimiser la consommation d’énergie électrique d’une ligne de production est l’un des axes à suivre pour améliorer le rendement de cette ligne. Mais connaître l’état de fonctionnement d’une ligne de production n’est pas forcément aisé. En effet, sur une ligne de production, l’état de marche d’une machine de cette ligne n’est pas forcément révélateur de l’état de production de toute la ligne. Lorsque la ligne de production est particulièrement longue, il est impossible de se fier à l’état d’une machine pour déterminer l’état de production de la ligne de production dans sa totalité. L’état de production de la ligne est souvent corrélé à l’état de marche de plusieurs machines de la ligne, qui peuvent être séparées entre elles de plusieurs mètres. Bien entendu, il serait sans doute possible de déterminer l’état de fonctionnement de la ligne par observation humaine ou en accédant aux outils informatique de gestion de la production. Cependant, il serait souhaitable de connaître l’état de fonctionnement d’une ligne de production, ou plus généralement d’un système de production industrielle, de manière simple et fiable.
Le but de l'invention est de proposer un procédé de détermination de l’état de fonctionnement d’un système de production industrielle qui soit simple, non intrusif, fiable et peu coûteux.
Exposé de l'invention
Ce but est atteint par un procédé de détermination automatique de l’état de fonctionnement d’un système de production industrielle, ledit système de production industrielle étant mis en œuvre par plusieurs machines, pour chaque machine dotée d’une alimentation électrique, au moins un capteur est positionné pour mesurer, sur une période déterminée, une grandeur électrique de manière à obtenir des données analogiques liées à la consommation électrique de la machine, ledit procédé comprenant : - une phase d’apprentissage comprenant : - pour chaque capteur, une analyse des données analogiques sur la période déterminée, par détermination automatique de valeurs de seuils délimitant les différents états de fonctionnement de la machine associée au capteur, une détermination, pour le système de production industrielle et sur la période déterminée, des données analogiques liées à la consommation électrique, par la somme des données analogiques obtenues pour chaque capteur, - pour le système de production industrielle, une détermination automatique, à partir des données analogiques liées à la consommation électrique, de valeurs de seuils délimitant les différents états de fonctionnement du système de production industrielle, une création d’une table de vérité associant l’état de fonctionnement de chaque machine à l’état de fonctionnement du système de production industrielle, - une phase d’exploitation comprenant : une analyse des données analogiques fournies par un ou plusieurs capteurs sélectionnés en vue d’en déduire l’état de fonctionnement de chaque machine associée auxdits capteurs sélectionnés, une détermination de l’état de fonctionnement du système de production industrielle par lecture de ladite table de vérité générée.
Avantageusement, chaque étape de détermination des valeurs de seuil délimitant les différents états de fonctionnement d’une machine ou du système de production industriel comporte une étape de détermination d’une monotone de consommation et de détection des pentes et des paliers sur ladite monotone, une valeur seuil étant définie entre deux paliers successifs séparés d’une pente.
Avantageusement, le procédé comporte une première étape de filtrage temporel des données analogiques issues de chaque capteur, par application d’un filtre passe-bas.
Avantageusement, le procédé comporte une deuxième étape de filtrage temporel appliquée aux différents états de fonctionnement déterminés pour une machine sur la période déterminée. L’invention concerne également un système de détermination automatique de l’état de fonctionnement d’un système de production industrielle, ledit système de production industrielle étant mis en œuvre par plusieurs machines, ledit système de détermination automatique comportant : - pour chaque machine dotée d’une alimentation électrique, au moins un capteur destiné à mesurer, sur une période déterminée, une grandeur électrique en vue d’obtenir des données analogiques liées à la consommation électrique de la machine, - un automate programmable comportant plusieurs entrées reliées chacune à un capteur et un module de traitement agencé pour traiter les données analogiques issues de chaque capteur, - un module d’apprentissage comprenant : - pour chaque capteur, un module d’analyse des données analogiques obtenues sur la période déterminée, par détermination automatique de valeurs de seuils délimitant les différents états de fonctionnement de la machine associée au capteur, un module de détermination, pour le système de production industrielle et sur la période déterminée, des données analogiques liées à la consommation électrique, par la somme des données analogiques obtenues pour chaque capteur, - pour le système de production industrielle, un module de détermination automatique, à partir des données analogiques liées à la consommation électrique, de valeurs de seuils délimitant les différents états de fonctionnement du système de production industrielle, un module de création d’une table de vérité associant l’état de fonctionnement de chaque machine à l’état de fonctionnement du système de production industrielle, - un module d’exploitation comprenant : un module d’analyse des données analogiques fournies par un ou plusieurs capteurs sélectionnés agencé pour en déduire l’état de fonctionnement de chaque machine associée auxdits capteurs sélectionnés, un module de détermination de l’état de fonctionnement du système de production industrielle agencé pour lire ladite table de vérité générée.
Avantageusement, le module de détermination des valeurs de seuil délimitant les différents états de fonctionnement d’une machine ou du système de production industriel comporte un module de détermination d’une monotone de consommation et un module de détection des pentes et des paliers sur ladite monotone, une valeur seuil étant définie entre deux paliers successifs séparés d’une pente.
Avantageusement, le système comporte un premier module de filtrage temporel des données analogiques issues de chaque capteur, comprenant un filtre passe-bas.
Avantageusement, le système comporte un deuxième module de filtrage temporel appliqué aux différents états de fonctionnement déterminés pour une machine sur la période déterminée.
Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit faite en regard des dessins annexés dans lesquels : la figure 1 représente, de manière schématique, un système de production industrielle pour lequel est mis en œuvre le procédé de l’invention, les figures 2A et 2B illustrent le principe d’un premier filtrage temporel appliqué au signal analogique obtenu en sortie d’un capteur, la figure 3 représente une monotone de consommation obtenue et illustre la détermination des seuils de changement d’état de fonctionnement de la machine associée à ce capteur, la figure 4 représente une courbe discrétisée à partir des seuils de changement d’états déterminés à la figure 3, la figure 5 illustre l’application d’un filtrage temporel à la courbe de données discrétisée de la figure 4, la figure 6A montre un exemple de table obtenue lors de la période d’apprentissage, la figure 6B montre un exemple de table de vérité représentant les états de fonctionnement de chacun des capteurs en association avec les états de fonctionnement du système de production industrielle.
Description détaillée d'au moins un mode de réalisation
Un système de production industrielle P est mis en œuvre à l’aide de plusieurs machines. Certaines de ces machines fonctionnent à l’aide d’une alimentation électrique.
Le procédé de l’invention consiste à placer, sur plusieurs machines à alimentation électrique du système, un capteur destiné à mesurer une grandeur électrique en vue d’obtenir des données analogiques liées à la consommation électrique de la machine. Sur la figure 1, le système de production industrielle représenté comporte quatre machines M1, M2, M3, M4, quatre capteurs S1, S2, S3, S4 sont donc employés. Chaque capteur S1, S2, S3, S4 est par exemple destiné à mesurer le courant électrique alimentant la machine et/ou la tension appliquée à la machine électrique pour fonctionner.
Le traitement des données fournies par les capteurs nécessite une période d’apprentissage (de tO à tn sur la figure 6A). Cette période devra être suffisamment longue pour pouvoir capter tous les états de fonctionnement des machines M1, M2, M3, M4 et du système de production industrielle P. Les données analogiques liées à la consommation électrique sont par exemple représentatives de la puissance électrique consommée, exprimée en kW. La puissance électrique consommée pourra être déterminée en local par chaque capteur ou par un traitement effectué ultérieurement.
Avantageusement, les capteurs employés sont des capteurs sans-fils tels que définis dans la demande de brevet EP2354799A1. Ces capteurs permettent un comptage du courant, de la puissance ou de l’énergie consommée par la machine. Ils peuvent être installés facilement, directement sur le câble d’alimentation de la machine.
Le procédé de l’invention est par exemple mis en œuvre grâce à un automate programmable (PLC pour « Programmable Logic Controller »). Les capteurs envoient (par liaison filaire ou sans-fil) leurs données sur une entrée analogique IN1, IN2, IN3, IN4 de l’automate programmable. Un module de traitement UC de l’automate programmable est destiné à traiter les données analogiques obtenues à partir des mesures réalisées par chacun des capteurs. Le traitement effectué sera décrit ci-dessous. Ce module de traitement UC comporte plusieurs modules logiciels agencés pour mettre en œuvre le procédé de l’invention.
Le procédé de l’invention comporte une phase d’apprentissage mise en œuvre par un module d’apprentissage du module de traitement UC et une phase d’exploitation mise en œuvre par un module d’exploitation du module de traitement UC.
La phase d’apprentissage consiste à associer différents états de fonctionnement du système de production industrielle P aux différents états de fonctionnement des machines M1, M2, M3, M4 employées dans la mise en œuvre du système de production industrielle P. Par état de fonctionnement, on entend bien entendu l’état marche, l’état arrêt mais il peut s’agir également d’un état veille, d’un état de maintenance, d’un état marche forcée, d’un état de production rapide ou de production lente... Dans la suite de la description, nous ne préciserons pas ces différents états de fonctionnement. Sur les figures, ceux-ci sont simplement définis par les numéros 0, 1, 2 et 3.
Pendant la phase d’apprentissage, des données analogiques sont recueillies par chaque capteur S1, S2, S3, S4 sur une période déterminée. La période pourra être plus ou moins longue, une journée, une semaine ou un mois par exemple. A partir de ces données, le module de traitement UC de l’automate programmable PLC détermine, à l’aide d’un module de détermination, différents seuils V1, V2, V3 délimitant les différents états de fonctionnement de la machine associée au capteur dont les données sont analysées.
La variation de la consommation électrique mesurée par un capteur S1, S2, S3, S4 est par exemple illustrée par une courbe, telle que celle représentée sur la figure 2A. Avantageusement, les données analogiques recueillies sont d’abord filtrées par le module de traitement. Un module de filtrage temporel de type passe-bas permet de lisser les données obtenues et de gommer les variations brutales de consommation, jugées non représentatives d’un changement d’état de la machine. La figure 2B montre la courbe obtenue après application du filtre passe-bas.
Une fois le filtrage effectué, le module de traitement UC détermine, à l’aide d’un module de détermination, pour chaque capteur, la monotone de consommation de la machine associée à ce capteur. Le module de traitement trie par ordre croissant ou décroissant les données analogiques obtenues à l’aide du capteur. Chaque pente de la monotone de consommation est un indicateur du temps passé par le capteur à un niveau de consommation donné. La figure 3 montre un exemple de monotone de consommation obtenue. Sur cette monotone, les fortes pentes sont représentatives de niveaux de consommation auxquels la machine passe peu de temps, et les faibles pentes sont représentatives de niveaux de consommation obtenus régulièrement par la machine.
Lors de la phase d’apprentissage, pour chaque capteur S1, S2, S3, S4, à partir de la monotone de consommation obtenue, le module de traitement UC détermine, à l’aide d’un module adapté et de manière automatique, les différents seuils V1, V2, V3 de changement d’état de fonctionnement de la machine. Comme représenté sur la figure 3, sur la monotone de consommation, chaque pente encadrée par deux paliers permet de définir un seuil de changement d’état de fonctionnement de la machine. Sur la figure 3, trois seuils V1, V2, V3 sont ainsi détectés par le module de traitement, délimitant quatre états de fonctionnement (0, 1, 2, 3) distincts. Entre deux seuils, la machine est considérée dans un état de fonctionnement stable.
Le module de traitement UC applique cette méthode de détermination des seuils et des états de fonctionnement pour les données analogiques obtenues grâce aux mesures de chaque capteur S1, S2, S3, S4.
La figure 4 représente une courbe obtenue après discrétisation d’un signal analogique. Cette courbe montre ainsi le temps passé par la machine dans chaque état de fonctionnement défini par chaque seuil V1, V2, V3 de changement d’état.
Avantageusement, après la détermination des états de fonctionnement de chaque machine, le module de traitement met en œuvre une deuxième étape de filtrage temporel, à l’aide d’un deuxième module de filtrage. Ce filtrage permet d’éliminer les changements d’états non représentatifs. Si plusieurs changements d’états interviennent successivement sur une période courte, ceux-ci ne sont pas forcément représentatifs d’un changement d’état réel du système de production P. La figure 5 représente ainsi la courbe de la figure 4 à laquelle le deuxième filtrage temporel a été appliqué.
Lors de la phase d’apprentissage, le module de traitement corréle les états de fonctionnement de chacune des machines composant le système de production industrielle aux états de production dudit système de production industrielle. Cette liste des états du système de production industrielle peut être obtenue par : - une méthode manuelle sur intervention d’un opérateur, ou - à l’aide d’un système informatique de type MES (« Manufacturing Execution System »), ou - par système entièrement automatisé.
Quelle que soit la méthode appliquée, les états de fonctionnement de chaque machine du système de production industrielle ainsi que les états de fonctionnement dudit système de production industrielle sont consignés dans un tableau de données. Chaque ligne du tableau représente chaque état du système de production à un instant donné tO à tn (figure 6A). La fréquence d’enregistrement des données peut être variable selon le type de capteur utilisé, le type de système de production ou la durée d’apprentissage.
Etats de fonctionnement du système de production : mode manuel
Lors de la phase d’apprentissage, l’opérateur (ou toute autre personne connaissant le système de production industrielle) fournit les différents états de fonctionnement du système de production à chaque instant.
Etats de fonctionnement du système de production : mode MES
Lors de la phase d’apprentissage, les états de fonctionnement du système de production industrielle proviennent d’un système de gestion de la production (exemple système IT de type MES).
Etats de fonctionnement du système de production : mode automatique
Lors de la phase d’apprentissage, le module de traitement définit ensuite un capteur global virtuel dont les données sont représentatives de la consommation électrique globale du système de production industrielle P. Les données analogiques issues de ce capteur global sont obtenues en ajoutant les données analogiques obtenues grâce à chaque capteur S1, S2, S3, S4 sur toute la période de l’apprentissage.
Le module de traitement UC applique ensuite l’algorithme décrit ci-dessus pour déterminer automatiquement les seuils de changement d’état du système de production industrielle et donc ses différents états de fonctionnement sur la période déterminée déjà définie ci-dessus.
Les deux étapes de filtrage décrites ci-dessus sont également applicables aux données analogiques du capteur global virtuel.
Les états de fonctionnement de chaque machine du système de production industrielle peuvent ainsi être corrélés aux états de fonctionnement du système de production industrielle.
Lors de la phase d’apprentissage, le module de traitement établit ensuite, à l’aide d’un module adapté, une table de vérité du système. Des algorithmes d’exploration de données (« Data Mining ») sont employées par le module de traitement en vue de créer la table de vérité et d’éliminer les capteurs non pertinents. Ces algorithmes simplifient le jeu de données en entrée en supprimant les lignes redondantes et en supprimant les capteurs non représentatifs. Le jeu de données d’entrée est alors réduit à une simple table couvrant toutes les combinaisons pertinentes des états de fonctionnement du système de production.
La figure 6B montre un exemple d’une table de vérité employée dans le procédé de l’invention. Cette table permet de corréler les états de fonctionnement des capteurs pertinents sélectionnés et l’état de fonctionnement du système.
La table de vérité est ensuite soumise à la validation de l’opérateur du système de production industrielle ou de toute autre personne compétente sur ledit système de production industrielle. Si la validation n’est pas satisfaisante (% de pertinence des indications données par le capteur virtuel) il faut revoir la distribution physique des capteurs installés sur le système de production.
La table de vérité ainsi générée est apprise par le module de traitement afin de pouvoir être employée directement lors de la phase d’exploitation du procédé.
En phase d’exploitation du procédé de l’invention, le module de traitement de l’automate programmable met en œuvre un algorithme de lecture de la table de vérité en vue de déterminer l’état de fonctionnement ST du système de production industrielle P.
Le module de traitement est agencé pour déterminer en permanence les données analogiques issues des mesures réalisées par chaque capteur pertinent. A partir de ces données, le module de traitement détermine dans quel état de fonctionnement est la machine associée au capteur. L’algorithme décrit ci-dessus pour déterminer les seuils est applicable. Les filtrages temporels décrits ci-dessus sont également applicables en vue d’éliminer les données non pertinentes. A partir de la table de vérité et de l’état de fonctionnement obtenu pour chaque machine associée à un capteur pertinent, le module de traitement détermine l’état de fonctionnement du système de production industrielle. Cet état de fonctionnement ST peut être envoyé par le module de traitement de l’automate programmable sur l’une de ces sorties OUT1. L’invention présente ainsi plusieurs avantages : - ne nécessite aucune modification du système de production analysé et du contrôle-commande de ce système, - une mise en œuvre simple, car non-intrusive, sur un système déjà existant ou nouveau, une solution pouvant être entièrement automatique, ne nécessitant pas forcément une intervention humaine.

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de détermination automatique de l’état de fonctionnement d’un système de production industrielle, ledit système de production industrielle étant mis en œuvre par plusieurs machines (M1, M2, M3, M4), pour chaque machine dotée d’une alimentation électrique, au moins un capteur (S1, S2, S3, S4) est positionné pour mesurer, sur une période déterminée, une grandeur électrique de manière à obtenir des données analogiques liées à la consommation électrique de la machine, ledit procédé étant caractérisé en ce qu’il comporte : - une phase d’apprentissage comprenant : - pour chaque capteur, une analyse des données analogiques sur la période déterminée, par détermination automatique de valeurs de seuils délimitant les différents états de fonctionnement de la machine associée au capteur, une détermination, pour le système de production industrielle et sur la période déterminée, des données analogiques liées à la consommation électrique, par la somme des données analogiques obtenues pour chaque capteur, - pour le système de production industrielle, une détermination automatique, à partir des données analogiques liées à la consommation électrique, de valeurs de seuils délimitant les différents états de fonctionnement du système de production industrielle, une création d’une table de vérité associant l’état de fonctionnement de chaque machine à l’état de fonctionnement du système de production industrielle, - une phase d’exploitation comprenant : - une analyse des données analogiques fournies par un ou plusieurs capteurs sélectionnés en vue d’en déduire l’état de fonctionnement de chaque machine associée auxdits capteurs sélectionnés, - une détermination de l’état de fonctionnement du système de production industrielle par lecture de ladite table de vérité générée.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque étape de détermination des valeurs de seuil délimitant les différents états de fonctionnement d’une machine ou du système de production industriel comporte une étape de détermination d’une monotone de consommation et de détection des pentes et des paliers sur ladite monotone, une valeur seuil étant définie entre deux paliers successifs séparés d’une pente.
  3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu’il comporte une première étape de filtrage temporel des données analogiques issues de chaque capteur, par application d’un filtre passe-bas.
  4. 4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’il comporte une deuxième étape de filtrage temporel appliquée aux différents états de fonctionnement déterminés pour une machine sur la période déterminée.
  5. 5. Système de détermination automatique de l’état de fonctionnement d’un système de production industrielle, ledit système de production industrielle étant mis en œuvre par plusieurs machines (M1, M2, M3, M4), ledit système de détermination automatique comportant : - pour chaque machine dotée d’une alimentation électrique, au moins un capteur (S1, S2, S3, S4) destiné à mesurer, sur une période déterminée, une grandeur électrique en vue d’obtenir des données analogiques liées à la consommation électrique de la machine, - un automate programmable comportant plusieurs entrées reliées chacune à un capteur et un module de traitement agencé pour traiter les données analogiques issues de chaque capteur, - ledit système de détermination automatique étant caractérisé en ce qu’il comporte : Un module d’apprentissage comprenant : - pour chaque capteur (S1, S2, S3, S4), un module d’analyse des données analogiques obtenues sur la période déterminée, par détermination automatique de valeurs de seuils délimitant les différents états de fonctionnement de la machine associée au capteur, un module de détermination, pour le système de production industrielle et sur la période déterminée, des données analogiques liées à la consommation électrique, par la somme des données analogiques obtenues pour chaque capteur, - pour le système de production industrielle, un module de détermination automatique, à partir des données analogiques liées à la consommation électrique, de valeurs de seuils délimitant les différents états de fonctionnement du système de production industrielle, un module de création d’une table de vérité associant l’état de fonctionnement de chaque machine à l’état de fonctionnement du système de production industrielle, - un module d’exploitation comprenant : un module d’analyse des données analogiques fournies par un ou plusieurs capteurs sélectionnés agencé pour en déduire l’état de fonctionnement de chaque machine associée auxdits capteurs sélectionnés, un module de détermination de l’état de fonctionnement du système de production industrielle agencé pour lire ladite table de vérité générée.
  6. 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que le module de détermination des valeurs de seuil délimitant les différents états de fonctionnement d’une machine ou du système de production industriel comporte un module de détermination d’une monotone de consommation et un module de détection des pentes et des paliers sur ladite monotone, une valeur seuil étant définie entre deux paliers successifs séparés d’une pente.
  7. 7. Système selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu’il comporte un premier module de filtrage temporel des données analogiques issues de chaque capteur, comprenant un filtre passe-bas.
  8. 8. Système selon l’une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu’il comporte un deuxième module de filtrage temporel appliqué aux différents états de fonctionnement déterminés pour une machine sur la période déterminée.
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