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Rapport de stage de Master Recherche M2R Modélisation des dysfonctionnements d’

Rapport de stage de Master Recherche M2R Modélisation des dysfonctionnements d’un système dans le cadre d’activités de maintenance Année 2007 Pascal VRIGNAT Stage de Master de recherche M2R. Laboratoire LVR (Laboratoire Vision Robotique), UPRES EA 2078. LVR – Modélisation des dysfonctionnements d’un système dans le cadre d’activités de maintenance Pascal Vrignat 2/67 REMERCIEMENTS Je tiens tout d’abord à remercier Monsieur Frédéric KRATZ Professeur des Universités, équipe LVR, d’avoir accepté d’encadrer ce sujet et de m’avoir permis de présenter mon travail. Merci aussi à Monsieur Manuel AVILA enseignant chercheur du LVR pour ses conseils de recherche et de rédaction, ainsi qu’à Monsieur Florent DUCULTY et Monsieur Stéphane BEGOT enseignants chercheurs du LVR pour leurs conseils. Je suis également particulièrement reconnaissant à Monsieur Christian ETIENNE et Monsieur Jean-Christophe BARDET enseignants chercheurs du LVR de m’avoir soutenu dans ma démarche. Enfin, j’ai beaucoup apprécié de travailler avec Monsieur Hervé LEGAGNEUX (Responsable technique Harry’s France S.A.S / MONTIERCHAUME) sur cette problématique appliquée à un sujet sensible pour la société, et je l’en remercie. LVR – Modélisation des dysfonctionnements d’un système dans le cadre d’activités de maintenance Pascal Vrignat 3/67 Table des Matières Table des Matières..................................................................................................................................................................3 Table des figures......................................................................................................................................................................4 Table des Tableaux .................................................................................................................................................................5 Glossaire....................................................................................................................................................................................6 Introduction, contexte de travail et problématique .....................................................................................................11 1 Présentation du laboratoire et des travaux de l’équipe .....................................................................................13 1.1 Situation du laboratoire de Recherche..................................................................................................................13 CHAPITRE 1 .........................................................................................................................................................................14 2 Définition de la maintenance.....................................................................................................................................14 3 Contenu de la fonction maintenance.......................................................................................................................15 4 Evolution de la discipline ...........................................................................................................................................16 4.1 La sûreté de fonctionnement ..................................................................................................................................16 4.2 La notion de fiabilité d’un système .......................................................................................................................17 4.3 La notion de disponibilité d’un système ..............................................................................................................20 5 Concepts et terminologie............................................................................................................................................22 5.1 Système et composants............................................................................................................................................22 5.2 Description fonctionnelle ........................................................................................................................................23 5.3 Description matérielle .............................................................................................................................................24 5.4 Défaillances, missions et fonctions d’un système et de ses composants ........................................................24 5.4.1 Définition de la défaillance fonctionnelle .................................................................................................24 5.4.2 Définitions : missions et fonctions .............................................................................................................25 CHAPITRE 2 .........................................................................................................................................................................27 6 Approche classique pour la modélisation des dysfonctionnements d’un système ......................................27 6.1 Description des méthodes d’analyse prévisionnelle...........................................................................................28 6.2 Etat de l’art : méthodes de modélisation dans le cadre d’une approche déterministe..................................28 6.2.1 Introduction....................................................................................................................................................28 6.2.2 Méthode de l’arbre des causes ou de défaillance (MAC/MAD) , techniques combinatoires...........29 6.2.3 Méthodes de la table de vérité et de la table de décision (MTV, MTD) ..............................................31 6.2.4 Méthodes de l’arbre de conséquences ou arbres d’évènements (MACQ ou MAE) ..........................31 6.2.5 Méthode du diagramme causes-conséquences (MDCC)........................................................................33 6.2.6 Méthode de l’espace des états (MEE)........................................................................................................34 6.2.7 Avantages, inconvénients, utilisation courante des différentes méthodes ...........................................37 CHAPITRE 3 .........................................................................................................................................................................40 7 Etude de cas : maintenance d’une peseuse volumétrique de pâte pour HARRY’S / France / Montierchaume ......................................................................................................................................................................40 7.1 Environnement de travail........................................................................................................................................40 7.1.1 Un peu d’histoire ...........................................................................................................................................40 7.1.2 Des implantations spécifiques dans le monde..........................................................................................40 7.1.3 Répartition du chiffre d’affaire et activités produits ...............................................................................41 7.2 Organisation de la production, du processus et de la maintenance au sein de la structure Harry’s Montierchaume.....................................................................................................................................................................41 7.3 Modélisation de ce sous-système ..........................................................................................................................44 7.3.1 Introduction aux chaînes de Markov cachées...........................................................................................44 7.3.2 Définitions des éléments d’une chaîne de Markov cachée.....................................................................44 7.3.3 Emploi général...............................................................................................................................................45 7.3.4 Apprentissage du modèle dans le cas des observations liées à la peseuse volumétrique..................46 CHAPITRE 4 ........................................................................................................................................................................55 8 Discussion et perspectives ..........................................................................................................................................55 9 Conclusion......................................................................................................................................................................57 Bibliographie ..........................................................................................................................................................................58 Références normatives internationales importantes ...................................................................................................64 ANNEXES ...............................................................................................................................................................................65 Algorithme de Baum-Welch [68]......................................................................................................................................65 Algorithme de Viterbi [68] .................................................................................................................................................66 Présentation incomplète des résultats des estimations des états du système : modèle à connectivité totale (CMC à 3 et 5 états)..............................................................................................................................................................67 LVR – Modélisation des dysfonctionnements d’un système dans le cadre d’activités de maintenance Pascal Vrignat 4/67 Table des figures Figure 1 : Les trois étapes du diagnostic ..............................................................................................................................11 Figure 2 : Le contenu de la fonction maintenance..............................................................................................................14 Figure 3 : Le processus de maintenance...............................................................................................................................14 Figure 4 : Les priorités « Maintenance » à long terme des industriels ...........................................................................15 Figure 5 : Exemple de politiques de maintenance..............................................................................................................16 Figure 6 : La fonction densité de durée de vie ....................................................................................................................17 Figure 7 : La courbe en baignoire .........................................................................................................................................19 Figure 8 : Allures caractéristiques du taux de panne .........................................................................................................20 Figure 9 : Disponibilité en fonction du temps t ..................................................................................................................21 Figure 10 : Représentation des MTBF, MDT,MUT et MTTF.........................................................................................21 Figure 11 : Décomposition hiérarchique d’un processus ..................................................................................................23 Figure 12 : Description fonctionnelle d’une machine à laver la vaisselle ......................................................................23 Figure 13 : Décomposition matérielle d’une machine à laver la vaisselle .....................................................................24 Figure 14 : Cas de figure conduisant tous à la défaillance................................................................................................25 Figure 15 : Phases de la mission de la navette spatiale pour le lancement d’un satellite ............................................26 Figure 16 : Exemple de diagrammes de défaillances.........................................................................................................30 Figure 17 : Exemple de coupes minimales ..........................................................................................................................30 Figure 18 : Exemple d’un arbre d’évènements ...................................................................................................................32 Figure 19 : Schéma récapitulatif des principales méthodes pour la sûreté de fonctionnement des systèmes industriels .........................................................................................................................................................................33 Figure 20 : Modèle markovien...............................................................................................................................................34 Figure 21 : Schéma de Markov pour un système comprenant deux éléments A et B .................................................35 Figure 22 : RdP stochastique..................................................................................................................................................36 Figure 23 : RdP modélisant une procédure de démarrage d’un groupe électrogène suite à un panne secteur.........37 Figure 24 : Répartition du chiffre d’affaire du groupe Harry’s........................................................................................41 Figure 25 : Organisation du processus (principe)...............................................................................................................42 Figure 26 : Exemple d'automate probabiliste d'états finis (composé ici de 3 états). ....................................................44 Figure 27 : Principe de l’estimation du modèle ..................................................................................................................47 Figure 28 : Résultat de la modélisation du sous-système par chaîne de Markov cachée à connectivité totale........47 Figure 29 : Résultat de la modélisation du sous-système par chaîne de Markov cachée à topologie forcée ...........48 Figure 30 : Estimation des états du système par l’algorithme de Viterbi (CMC à 4 états).........................................48 Figure 31 : Comment interpréter les résultats dans les tableaux qui suivent ?..............................................................48 LVR – Modélisation des dysfonctionnements d’un système dans le cadre d’activités de maintenance Pascal Vrignat 5/67 Table des Tableaux Tableau 1 : Exemple de tableau de bord d'objectifs de fabrications ...............................................................................12 Tableau 2 : Relations en F(t), R(t), f(t) et λ(t)....................................................................................................................18 Tableau 3 : Associations Causes / Remèdes........................................................................................................................19 Tableau 4 : Table de vérité pour deux systèmes en série ..................................................................................................31 Tableau 5 :Exemples de symboles utilisés pour les diagrammes causes -conséquences..............................................33 Tableau 6 : Avantages, inconvénients, utilisation courante des différentes méthodes................................................39 Tableau 8 : Suivi d’activité maintenance Harry’s Malterie - Montierchaume ..............................................................41 Tableau 9 : Récapitulatif des observations ..........................................................................................................................43 Tableau 10 : Principe de codage de la séquence d’observations avec ses insertions de codage (10) n’étant pas présent dans le tableau initial Tableau 8 .....................................................................................................................46 Tableau 11 : Comparaison des résultats entre le modèle Figure 28 et le modèle Figure 29 pour le 1er semestre 2006...................................................................................................................................................................................49 Tableau 12 : Comparaison des résultats entre le modèle Figure 28 et le modèle Figure 29 pour le 1er semestre 2006 (suite).......................................................................................................................................................................50 Tableau 13 : Comparaison des résultats entre le modèle Figure 28 et le modèle Figure 29 pour le 1er semestre 2006 (fin)..........................................................................................................................................................................51 Tableau 14 : Comparaison des résultats entre le modèle Figure 28 et le modèle Figure 29 pour le 1er trimestre 2007...................................................................................................................................................................................52 Tableau 15 : Comparaison des résultats entre le modèle Figure 28 et le modèle Figure 29 pour le 1er trimestre 2007 (fin)..........................................................................................................................................................................53 Tableau 16 : Résultats significatifs tirés du Tableau 11 ....................................................................................................54 Tableau 17 : Taux d’erreur de l’estimation de l’état S1 pour la totalité des observations sur 2006 et 2007............54 Tableau 18 : Comparaison des résultats des estimations des états du système : modèle à connectivité totale (CMC à 3 et 5 états)........................................................................................................................................................67 LVR – Modélisation des dysfonctionnements d’un système dans le cadre d’activités de maintenance Pascal Vrignat 6/67 Glossaire Acceptable : Qualifie un événement jugé acceptable au regard d'objectifs de sûreté de fonctionnement. Terme anglais : "Acceptable" Accident : Evénement ayant des conséquences catastrophiques ou susceptible d'en avoir. Dans le nucléaire, l'accident est défini comme l'événement pouvant entraîner l'endommagement d'une ou plusieurs barrières et donc conduire à un relâchement de produits radioactifs et demandant la mise en service de systèmes de protection. Terme anglais : "Accident" Amélioration de la sûreté de fonctionnement : Procédé intentionnellement destiné à produire une croissance d'une caractéristique de la sûreté de fonctionnement (disponibilité, fiabilité, maintenabilité, sécurité, etc. ) en vue d'atteindre des objectifs spécifiés par élimination de défaillance ou réduction de leur probabilité d'occurrence. Terme anglais : "Dependability Improvement" Analyse d'un système : Processus orienté vers l'acquisition, l'investigation et le traitement ordonnés d'informations spécifiques au système et pertinentes vis -à-vis d'une décision ou d'un objectif donné. Ce processus conduit à l'obtention d'un modèle et, éventuellement, à son évaluation quantitative. Terme anglais : "System Analysis" Analyse de criticité de défaillance : Analyse ayant pour objet d'évaluer le couple gravité/probabilité associé à une défaillance. Terme anglais : "Criticality Analysis" Analyse des modes de défaillance et de leurs effets (AMDE) : Méthode d'analyse quantitative d'un système ayant pour objet d'identifier les modes de défaillance des composants du système, leurs causes et leurs effets. Terme anglais : "Failure Modes and Effects Analysis" (FMEA) Analyse des modes de défaillance, de leurs effets et de leur criticité (AMDEC) : Méthode d'analyse d'un système qui comprend une analyse des modes de défaillance et de leurs effets, complétée par une analyse de criticité des modes de défaillance. Terme anglais : "Failure Modes, Effects and Criticality Analysis" (FMECA) Analyse préliminaire des uploads/Industriel/ stage-m2r-pascal-pdf.pdf