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UNIVERSITÉ DE REIMS CHAMPAGNE ARDENNE h se T è résentée pour o tenir le grade d

UNIVERSITÉ DE REIMS CHAMPAGNE ARDENNE h se T è résentée pour o tenir le grade de P b Docteur de l’Université de Reims Champagne-Ardenne pécialité S Spécialité : Génie Informatique, Automatique et Traitement du Signal ar P Benoît ROHÉE Contribution à la conception d’applications de pilotage des systèmes manufacturiers Soutenue publiquement le 19 Décembre 2008, devant le jury composé de Rapporteurs : M. Serge Debernard Professeur, Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis M. Benoît Eynard Professeur, Université de Technologie de Compiègne Examinateur : M. Carlos Moreno Professeur, Directeur Général de Sinovia SAS Codirecteurs de Thèse : Mme Véronique Carré-Ménétrier Professeur, Université de Reims Champagne-Ardenne M. Bernard Riera Professeur, Université de Reims Champagne-Ardenne Encadrant : M. Jean-Marc Roussel Maître de Conférences, École Normale Supérieure de Cachan Page 2 Remerciements Je souhaite remercier Monsieur Carlos Moreno, professeur et directeur général de SINOVIA SAS, qui m’a fait l’honneur d’exercer les fonctions de président du jury et d’examinateur de thèse pour le temps qu’il a consacré à étudier mon travail et pour sa sympathie. Mes remerciements s’adressent également aux rapporteurs de mon mémoire de thèse Monsieur Serge DEBERNARD, professeur à l’Université de Valenciennes et du Hainaut- Cambrésis, et Monsieur Benoît EYNARD, professeur à l’UTC de Compiègne pour avoir participer à ce jury de thèse. Je leur exprime toute ma reconnaissance pour l’intérêt porté à ce travail. J’aimerais remercier vivement, mes co-directeurs de thèse Madame Véronique CARRE- MENETRIER, directrice de l’UFR Sciences Exactes et naturelles, pour ses précieux conseils, sa disponibilité malgré son emploi du temps chargé et sa gaieté et Bernard RIERA pour tous les moments passés ensemble que ce soit pour travailler intellectuellement sur les travaux de recherche, de m’initier aux projets industriels ou aux travaux physiques de terrassement. Je leur exprime une grande reconnaissance pour m’avoir soutenu à achever la thèse. Je remercie Jean-Marc Roussel pour m’avoir donné des conseils avisés sur mon travail et pour m’avoir suivi malgré la distance. Je souhaite remercier les personnes de l’Université de Reims Champagne Ardenne avec qui j’ai pu travailler et vivre quotidiennement et notamment François pour m’avoir initié à l’enseignement sous une forme différente à celle que j’ai pu voir précédemment, Pascale d’avoir réussi à partager le bureau pendant ces trois années malgré ma présence ainsi que toutes les personnes des départements d’enseignements dans lesquels j’ai travaillé, du laboratoire de recherche et des services techniques et administratifs de l’Université. Je remercie Alexandre, Doc, Fab, Laurent, François, Pascale et aux joueurs occasionnels pour leur ténacité à avoir essayé de m’apprendre à jouer au tarot. Je souhaite enfin remercier toute ma famille de m’avoir soutenu lors de ces trois années difficiles malgré la distance et mon manque de présence dans ma région natale. Pour finir, un dernier mot à la personne qui partage le bureau (et un peu plus) avec moi en ce moment. Page 3 Je suis tombé totalement par hasard sur cette citation il y a très longtemps et je pense qu’elle convient très bien à ma vision de l’enseignement. Le savoir n'est pas une vulgaire matière première. Il ne vient jamais à épuisement. Au contraire, il s'accroît toujours grâce à la diffusion des connaissances. -+- Daniel Boorstin - +- Page 4 Page 5 Table des matières Introduction Générale............................................................................................................................................9 Chapitre 1 Utilisation des modèles de parties opératives dans les travaux en SED.......................................13 1) Contexte des systèmes automatisés : pourquoi l’automatisation, attentes et problématiques..................14 a) La mécanisation...................................................................................................................................14 b) Évolution vers l’automatisation...........................................................................................................15 c) Constituants des systèmes automatisés................................................................................................16 d) La problématique actuelle....................................................................................................................17 2) Systèmes manufacturiers et Systèmes à Evènements Discrets (SED)......................................................17 a) La commande.......................................................................................................................................18 b) Le diagnostic........................................................................................................................................23 c) L’identification.....................................................................................................................................24 d) La supervision industrielle...................................................................................................................25 e) Etudes des systèmes manufacturiers et modélisation de la partie opérative........................................28 3) Etude bibliographique des travaux liés à la prise en compte de la partie opérative en conception de la commande..........................................................................................................................................................28 a) Problématiques de la commande..........................................................................................................28 b) Vérification et validation......................................................................................................................29 c) Synthèse...............................................................................................................................................30 (i) Les fondements de la théorie de supervision 32 (ii) L’interprétation pour les systèmes automatisés de production 33 (iii) La problématique industrielle 34 (iv) L’extraction d’une commande dans un superviseur 36 (v) Vers une applicabilité dans les systèmes automatisés de production 37 d) Problèmes d’implantation....................................................................................................................37 e) Méthodologie de modélisation initiée par Kumar................................................................................39 f) Utilisation de la méthodologie de modélisation initiée par Kumar pour les systèmes manufacturiers 42 4) Conclusion................................................................................................................................................43 Chapitre 2 Les outils de modélisation de la partie opérative............................................................................45 1) Contexte de la modélisation de la partie opérative : outils et méthodes...................................................46 a) Les outils rencontrés dans les applications industrielles......................................................................46 b) Les outils de représentation utilisés dans les approches théoriques et fondamentales........................47 c) Les écarts entre le comportement réel d’un système automatisé de production et sa modélisation....49 d) Illustration de la modélisation du vérin pour la simulation..................................................................51 2) Les outils de modélisation du comportement de la partie opérative dans le domaine des SED...............53 a) Description de la théorie du langage....................................................................................................54 b) Les opérateurs mathématiques utilisés dans la théorie des langages...................................................55 c) Problématique de la théorie des langages dans la modélisation de comportement de systèmes automatisés....................................................................................................................................................56 d) Définition des automates à états finis...................................................................................................56 e) Les générateurs de langage..................................................................................................................57 Page 6 f) Les opérateurs mathématiques de composition de générateurs de langages........................................59 (i) Le produit synchrone 59 (ii) Le produit asynchrone 59 (iii) Le produit complet 60 3) Utilisation des automates à états finis et des générateurs de langages pour modéliser un système automatisé...........................................................................................................................................................60 a) Présentation des travaux de synthèse de la commande de Ramadge et Wonham...............................61 b) Représentation graphique des automates à états finis..........................................................................61 c) Problématique liée à l’utilisation de ces outils.....................................................................................62 d) Modélisation du vérin par les SED......................................................................................................63 e) Prise en compte des signaux booléens.................................................................................................65 f) Conséquences sur la modélisation de la partie opérative.....................................................................66 g) Bilan.....................................................................................................................................................67 4) Propriété de commandabilité d’un modèle de partie opérative................................................................67 a) Propriété de vérification de la complétude vis à vis de la commande.................................................68 b) Démonstration de la propriété..............................................................................................................68 c) Illustration de la propriété....................................................................................................................70 d) Exemple d’utilisation de la propriété sur un exemple simple..............................................................72 5) Conclusion................................................................................................................................................73 Chapitre 3 Démarche de modélisation de la partie opérative et exploitation pour la modélisation discrète .................................................................................................................................................................................75 1. Etude de la partie opérative d’un système manufacturier.........................................................................77 a. Les chaînes d’action et d’acquisition...................................................................................................77 b. Le niveau de détails et degré de précision à considérer dans la modélisation.....................................79 c. Problématique de la prise en compte du temps....................................................................................79 2. La modélisation de la partie opérative par les automates à états finis......................................................80 a. Hypothèses de modélisation.................................................................................................................80 b. Contexte de la modélisation par les automates à états finis.................................................................80 3. Démarche de modélisation des chaînes fonctionnelles par les automates à états finis............................83 a. Modélisation de la chaîne d’action......................................................................................................84 b. Modélisation de la chaîne d’acquisition...............................................................................................86 c. Association entre le modèle de préactionneurs et le modèle d’actionneur..........................................86 d. Bilan de la démarche de modélisation retenue.....................................................................................87 4. Exemple de modèles de partie opérative décrit par les automates à états finis........................................88 a. Modélisation du vérin avec un distributeur monostable et un détecteur de fin de course...................88 b. Modélisation du vérin avec un distributeur bistable et deux détecteurs..............................................93 c. Modélisation du vérin avec un distributeur à trois positions centre ouvert et trois détecteurs..........100 d. Modélisation du vérin avec un distributeur à trois positions centre fermé et trois détecteurs...........107 e. Modélisation d’un plateau tournant à deux sens de rotation et deux détecteurs................................109 5. Applications............................................................................................................................................113 a. Plateforme Cellflex............................................................................................................................113 b. Application au diagnostic intégré à l’API..........................................................................................115 c. Application à la supervision industrielle............................................................................................117 6. Conclusion..............................................................................................................................................121 Page 7 Chapitre 4 Modélisation de la partie opérative pour la simulation...............................................................122 1) Aspects continus et discrets de la modélisation......................................................................................122 2) Présentation des réseaux de Petri hybrides et des capacités de modélisation.........................................123 a) Modélisation discrète des réseaux de Petri hybrides..........................................................................123 b) Modélisation continue des réseaux de Petri hybrides........................................................................124 c) Synchronisation du comportement continu et discret des réseaux de Petri hybrides........................125 d) Application de la démarche de modélisation en utilisant les réseaux de Petri hybrides....................127 3) Exemple de modèles de chaîne fonctionnelle par les réseaux de Petri hybrides....................................133 a) Modèle d’un vérin pneumatique avec un distributeur 3/2 et un capteur de fin de course.................133 b) Modèle d’un vérin pneumatique avec un distributeur 3/2 et deux capteurs de fin de course............136 c) Modèle d’un vérin pneumatique avec un distributeur 5/2 et d’un capteur de fin de course..............138 d) Modèle d’un vérin pneumatique avec un distributeur 5/3 et un capteur intermédiaire.....................139 4) Application à la simulation des chaînes fonctionnelles..........................................................................142 a) Modélisation d’un axe numérique......................................................................................................142 b) Modélisation de la porte de garage automatisée................................................................................145 5) Conclusion..............................................................................................................................................154 Conclusion générale et perspectives..................................................................................................................155 Bibliographie.......................................................................................................................................................163 Page 8 Introduction Générale L’objectif principal de la production industrielle est d’apporter une valeur ajoutée à un produit pour répondre aux besoins d’un client. Le monde de la production industrielle distingue, en fonction de la matière traitée, trois types de procédés de fabrication, appelés aussi Parties Opératives (PO) : batch, continu et manufacturier. Les procédés de type batch également appelés discontinu ou encore par lots transforment, pendant une période de temps fixée, des quantités déterminées de matière en produit fini selon des procédures spécifiques (recettes). Ces systèmes, au contraire des systèmes continus, sont conçus pour faire face à des changements et donc des arrêts de production. Ces procédés se rencontrent dans la chimie fine, la pharmacie et l’agroalimentaire. uploads/Geographie/ these-benoit-rohee-version-finale 1 .pdf