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MASTER RECHERCHE Systèmes Dynamiques et Signaux LA MODELISATION DES SYSTEMES DE

MASTER RECHERCHE Systèmes Dynamiques et Signaux LA MODELISATION DES SYSTEMES DE PRODUCTION par RESEAUX DE PETRI Marc Bourcerie 2010-2011 2 Les systèmes de production La description des architectures propres aux systèmes de production n’est pas une chose simple, vue la diversité des configurations. Ainsi, ces architectures sont de formes diverses, dépendant des configurations locales, du type de produit à fabriquer, des cahiers des charges et donc des objectifs. quantitatifs et qualitatifs. Les solutions choisies pour atteindre les objectifs souhaités en terme de production amènent nécessairement à des structures différentes. Bien qu’il y ait des méthodologies qui aient été développées pour la construction des sites, on ne peut cependant pas observer de démarche systématique dans l’élaboration de tels projets. Lorsque nous sommes amenés à visiter des sites industriels, il est vrai que nous retrouvons systématiquement des modes d’agencement communs qui nous semblent incontournables. Cependant, il est aussi vrai que chaque site de production a sa spécificité, liée à tout un historique de fabrication. De nombreuses entreprises apparues au XIXème siècle ont vu progressivement leurs structures se modifier. Ces mutations sont bien entendu liées à l’apport des nouvelles technologies, mais aussi à la dérive progressive des objectifs, des projets et des produits fabriqués. Au fil de l’évolution des marchés, ces entreprises se sont développées ou ont connu des périodes de récession, modifiant ainsi leurs organisations et leurs configurations matérielles. Ce mouvement va s’accélérant et l’entreprise doit s’adapter, en temps réel, suivant ainsi ces transformations technologiques et ces fluctuations quasi permanentes du marché. Ces transformations sont une composante de la flexibilité de l’entreprise. Pour définir ce terme de flexibilité, il faut comprendre qu’elle représente les mouvements de l’entreprise sur plusieurs échelles temporelles : A l’échelle des décennies, où l’on observe un glissement des objectifs de production, à l’échelle de l’année ou des saisons, où les besoins en terme de production peuvent être périodiques ou irréguliers, éventuellement tributaires des événements politiques, sociaux ou économiques, à l’échelle quotidienne ou hebdomadaire, où l’organisation de la production est amenée à fluctuer en fonction de la demande, bien souvent de manière cyclique. La configuration des systèmes de production est très diversifiée. Elle est pleinement tributaire du type d’opération à effectuer et de la catégorie d’objets à produire ou à traiter. De multiples critères entrent nécessairement en compte aussi bien en terme de quantité à fabriquer que de complexité de l’objet. Les notions de cadencement et de temps de production sont primordiales, autant que la prise en compte des aléas de fonctionnement ou autres perturbations qui viennent contrarier l’optimisation. Ainsi, pour représenter le site de production, dans sa configuration matérielle, il va falloir prendre en compte une grande quantité de paramètres à des niveaux diversifiés de conceptualisation. Cela signifie qu’il sera nécessaire d’organiser des modèles représentant des structures de premier ordre, ou de premier degré (nous entendons par là, les structures essentielles telles que robots, machines d’assemblage, de traitement, d’usinage, stocks,…). A un niveau supérieur, nous devrons représenter les systèmes de surveillance et de commande. Il est également indispensable de représenter les flux de production et les perturbations subies par les systèmes et les approvisionnements. Nous ne devons pas oublier également l’aspect temporel, dont la représentation et la prise en compte peut être abordée comme une couche supplémentaire de nos modèles. Ces considérations nous amènent nécessairement à des architectures modulaires. Chaque cellule de base ayant ses propriétés comportementales et structurelles qui peuvent être amenées à se transformer dans l’environnement dans lequel elles seront placées.. Ne perdons pas de vue qu’une dualité forte doit apparaître entre le système et sa représentation par un modèle. Celui-ci doit être suffisamment proche de la réalité fonctionnelle du système afin de pouvoir s’y substituer pour la simulation et la vérification des projets. Un dialogue doit s’instaurer entre système et modèle de manière à faire évoluer le système de production et éventuellement le commander. Les composantes d’un système de production Les machines et les robots C’est dans la même rubrique que l’on classera ces deux éléments topologiquement très proches l’un de l’autre dans l’entreprise. Dans un premier temps on peut dire que la fonctionnalité d’une machine est de transformer un 3 objet par usinage ou par traitement. On peut en définir une (ou plusieurs) entrées et une sortie. La machine impose des contraintes liées à son rendement et à ses capacités en terme d’opérations. Les modèles devront être aptes à décrire la fonctionnalité de cette machine le plus simplement possible. Le robot est un objet apte à fournir en temps voulu l’objet à la machine. Il est soumis à des contraintes liées aux flux des objets en amont et en aval. Là encore, les modèles devront être aptes à décrire ces comportements et ces contraintes le plus simplement, mais le plus rigoureusement possibles. L’interconnexion entre robots et machines devra être assurée au niveau des modèles. A ce niveau, la notion de partage de ressources sera à considérer. Les stocks, les convoyeurs et les approvisionnements Cette rubrique regarde la disponibilité des objets à traiter et leur situation « géographique » sur le site de production. Il s’agit, concernant ces objets, des matières premières en approvisionnement, qui doivent être disponibles dans les meilleurs délais possibles. Il s’agit également des pièces en cours de traitement ou d’usinage. Ces objets sont introduits dans la structure sous forme de « matière première » (pour le site de production) et peuvent être stockés à divers endroits (stocks d’entrée et de sortie du site, stock d’entrée et de sortie de chaque machine, stock intermédiaire). Ces objets circulent d’autre part à travers la structure grâce à des convoyeurs et sont transformés ou assemblés pour parvenir à l’état final souhaité. Les flux et les perturbations Les objectifs d’optimisation mènent fatalement à rechercher la meilleure solution pour une production de qualité à un meilleur coût dans les meilleurs délais. Il s’agit de respecter les contraintes, tant dans la qualité du produit que dans le respect des délais de livraison. Afin de respecter ces contraintes il faut nécessairement, en plus de l’assurance d’une qualité optimale, observer les flux d’objets dans la structure et prévenir les perturbations du système de production. La notion de traçabilité du produit sera aussi très importante, sachant que le produit est transformé. Il faut pouvoir le suivre et l’identifier au fil de son itinéraire sur le site et pouvoir faire le bilan à tout instant, de son historique au cours de la fabrication. A ce niveau interviennent la dynamique du site, donc de son modèle, et les notions de prévention. La surveillance de ces flux et la prise en compte des perturbations doivent agir en temps réel sur le déroulement des opérations au sein du système de production. La supervision, le contrôle et la commande A un niveau supérieur apparaissent les notions de contrôle, de commande, de surveillance et la supervision. Ces notions plus fines permettent d’agir sur le système selon les critères d’optimisations qui ont été définis. En résumé, ce système de production peut être vu de manière tripartite. D’une part l’aspect « outillage », constitué de machines, de convoyeurs, de stocks, de robot », en second lieu, l’aspect « objet », qui se réfère à l’objet à produire et qui prend, au fil de la production divers aspects intermédiaires entre la « matière première » et le « produit final ». En troisième lieu, l’aspect « organisation » qui consiste à opérer selon un certain ordonnancement, en respectant certaines contraintes en utilisant des informations de disponibilités et de flux. La complexité des sites L’architecture du site de production est évolutive. Elle part nécessairement, dans sa conception d’une structure relativement simple pour se complexifier au fur et à mesure que l’on prend en compte tous les éléments nécessaires pour la réalisation d’un produit finalisé. Cette complexité est de deux ordres : dans la structure du site, élément statique et dans l’organisation de la production, élément dynamique. Ces deux notions sont interactives car il est clair que la disposition des divers éléments constitutifs, ainsi que leur nombre dépendra de l’organisation qui sera choisie. A l’inverse, l’organisation de la production est dépendante des outils dont on dispose. Un exemple simple permet d’éclairer ces propos : afin de produire un type donné d’objet, on pourra choisir de distribuer les tâches à un nombre donné de machines effectuant des opérations identiques sur plusieurs objets en parallèle. On pourra également affecter un robot à plusieurs opérations différentes sur plusieurs machines. Il s’agira alors d’organiser la production en vue de l’optimisation en fonction des choix matériels qui auront été faits. Ces réflexions vont naturellement nous amener par la suite à aborder les problèmes récurrents du partage des ressources (robot par exemple), de la disponibilité des ressources et des matières premières, du séquencement des 4 tâches, de la prise en compte des événements extérieurs perturbateurs. L’organisation de la production : divers point à aborder par la modélisation Le nombre de séquences d’assemblages d’éléments de base va croissant en fonction de la complexité du produit final. On parvient alors très rapidement à une description du déroulement des opérations à uploads/Industriel/ master-cours-petri.pdf