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ED 363 Université d’Angers Année 2008 N° 960 Contrôle de processus industriels

ED 363 Université d’Angers Année 2008 N° 960 Contrôle de processus industriels complexes et instables par le biais des techniques statistiques et automatiques Thèse de doctorat Spécialité : Sciences de l’ingénieur ECOLE DOCTORALE D’ANGERS Présentée et soutenue publiquement le 15 décembre 2008 À l’Institut des Sciences et Techniques de l’Ingénieur d’Angers par Florina BABUS Devant le jury ci – dessous : Ioan BACIVAROV Examinateur Professeur à l’Université Polytechnique de Bucarest Alain BARREAU Président Professeur à l’université d’Angers Zohra CHERFI Rapporteur Professeur à l’Université de Technologie de Compiègne Abdessamad KOBI Examinateur Professeur à l’Université d’Angers Mihai POPESCU Rapporteur Professeur à l’Université Polytechnique de Bucarest Teodor TIPLICA Examinateur Maître de conférences à l’Université d’Angers Directeurs de thèse : Abdessamad KOBI et Ioan BACIVAROV Co-encadrant : Teodor TIPLICA Laboratoires: LASQUO, LAboratoire en Sûreté de fonctionnement, QUalité et Organisation EUROQUAL, Laboratoire en Qualité, Fiabilité et Techniques informatiques tel-00535668, version 1 - 12 Nov 2010 tel-00535668, version 1 - 12 Nov 2010 Remerciements Le travail présenté dans ce mémoire a été réalisé au sein du LAboratoire en Sûreté de fonctionnement, QUalité et Organisation, LASQUO, ISTIA Angers, dirigé par Abdessamad Kobi. Je tiens à lui adresser mes remerciements pour ses conseils précieux et son implication dans mes travaux en tant que directeur de thèse. J’adresse mes sincères remerciements à Ioan Bacivarov pour son soutien et pour la qualité de ses conseils. C’est grâce à son encadrement pendant mon DEA au sein du Laboratoire EUROQUAL que je me suis dirigé vers ces travaux de recherche, et je lui resterai très reconnaissante. Je remercie vivement Teodor Tiplica pour sa disponibilité, pour son support et pour la qualité de nos relations de travail. Ses compétences dans le domaine de MSP dont il m’a fait part, ses idées et ses conseils ont contribué de façon incontournable à l’avancement de mes travaux de recherche. Je suis très reconnaissante à Mme. Zohra CHERFI d’avoir accepté d’être rapporteur de ces travaux et de participer au jury. Son expérience et sa notoriété dans la fiabilité et la qualité industrielle m’honorent de sa présence. Je remercie chaleureusement M. POPESCU, d’avoir accepté d’être rapporteur de ce travail et de participer au jury. Je voudrais adresser mes vifs remerciements à M. Alain Barreau pour avoir accepter d’être le président de jury. Sa présence me fait beaucoup d’honneur et je lui suis reconnaissante. Je remercie également tous les professeurs du laboratoire LASQUO pour les précieux renseignements qu’ils m’ont apportés et tous les membres du Département Qualité et Organisation de ISTIA pour la bonne ambiance de travail qu’ils m’ont offert. C’est avec plaisir que j’ai passé mes quatre années des recherches auprès de mes collègues de laboratoire. Les souvenirs de notre équipe me resteront toujours au cœur et je leurs remercie fortement pour ces années passés ensemble. Je remercie profondément ma famille qui malgré la distance m’a toujours soutenue dans tous mes projets. Leur appui m’a aidé à dépasser tous les moments difficiles dans mon travail et je leur suis très reconnaissante. J’adresse un merci spécial à mon fiancé, Eric MENARD, qui n’a pas hésité à m’aider avec ses conseils et avec son soutien dans l’aboutissement de mes travaux. tel-00535668, version 1 - 12 Nov 2010 tel-00535668, version 1 - 12 Nov 2010 Je dédie cette thèse à la mémoire de mon père. tel-00535668, version 1 - 12 Nov 2010 tel-00535668, version 1 - 12 Nov 2010 Table des matières Introduction générale................................................................................................................ 1 Chapitre I. Etat de l’art sur l’incidence de la non normalité dans la MSP............................ 5 1 Généralités .................................................................................................................... 5 2 L’incidence de la non normalité dans la MSP. Principales approches. ................ 18 2.1 La famille des lois de Burr................................................................................... 22 2.2 Les familles de lois de Johnson et de Pearson ..................................................... 25 2.3 La méthode de re-échantillonnage de Bootstrap.................................................. 28 2.4 Les cartes de contrôle avec des paramètres variables .......................................... 31 3 Synthèse des méthodes de traitement de données non gaussiennes....................... 36 Chapitre II : Contributions aux nouvelles démarches dans la MSP des processus non gaussiennes.............................................................................................................................. 39 1 Introduction................................................................................................................ 39 1.1 Processus non gaussiens - quelques exemples ..................................................... 40 1.2 Une catégorie de processus représentés par des distributions non gaussiennes. Tolérances géométriques et variations de formes ............................................................ 46 1.3 Distributions asymétriques . La loi de Rayleigh .................................................. 53 1.3.1 Méthodes d’estimation du paramètre de la loi de Rayleigh......................... 56 1.3.2 Quelques particularités de la loi de Rayleigh. Domaines d’incidence......... 58 2 Application des cartes de contrôle avec paramètres variables pour les lois des distributions asymétriques ................................................................................................ 60 2.1 La conception d’une carte VP pour la loi de distribution de Rayleigh ................ 61 3 Les cartes de contrôle basées sur l’estimation des quantiles.................................. 78 3.1 Mise en place de la méthode pour la loi de distribution de Rayleigh .................. 79 3.2 Analyse critique sur la pertinence d’utilisation des cartes de contrôle non gaussienne dans la pratique d’inspection de la coaxialité................................................ 86 3.2.1 Etude de cas I : le déréglage intervient soit sur la variable X soit sur la variable Y ..................................................................................................................... 88 3.2.2 Etude de cas II : le déréglage intervient sur les deux variable, X et Y ........ 92 3.2.3 Etude de cas III : Les variables X et Y ne sont pas indépendantes, étude d’une carte de contrôle multi variée............................................................................. 94 tel-00535668, version 1 - 12 Nov 2010 4 Conclusions ................................................................................................................. 98 Chapitre III : Contributions au contrôle des processus par le biais des modèles intégrés APC/MSP............................................................................................................................... 101 1 Introduction.............................................................................................................. 101 2 Le contrôle automatique de processus ................................................................... 102 3 L’intégration des techniques MSP et APC ............................................................ 108 4 Contributions à l’amélioration des modèles de contrôle APC – MSP................. 115 4.1 Le modèle intégré de Gultekin........................................................................... 116 4.1.1. Propositions d’amélioration de la détection des faibles déréglages pour le modèle intégré de Gultekin : l’intégration d’une carte de contrôle de type EWMA . 125 4.1.2. Propositions d’amélioration de la détection des faibles déréglages pour le modèle intégré de Gultekin : l’intégration d’une carte de contrôle de type VP......... 129 4.1.3. Conclusions sur nos propositions d’amélioration de la détection des faibles déréglages pour le modèle intégré de Gultekin.......................................................... 131 4.2 Le réacteur de Tennessee Eastman. Généralités ................................................ 134 4.2.1 Proposition d’amélioration. L’intégration d’une carte de contrôle dans le schéma du réacteur de Tennessee Eastman................................................................ 141 4.2.2 Mise en place de l’algorithme proposé. Résultats et interprétations.......... 148 5 Conclusions. Perspectives ........................................................................................ 157 Conclusions générales........................................................................................................... 159 Annexe 1 : Eléments de contrôle automatique..................................................................... 162 A1.1 Notions élémentaires des systèmes automatique ............................................... 162 A1.2 Cadre mathematique uitlisé dans l’automatique ................................................ 168 A1.3 Principe de fonctionnement d’un régulateur automatique ................................. 170 A1.4 Précisions sur l’implémentation du modèle intégré dans le model Simulink Multiloop_Mode3.mdl : ................................................................................................. 173 Références.............................................................................................................................. 176 tel-00535668, version 1 - 12 Nov 2010 1 Introduction générale Dans l’environnement économique - industriel actuel, face à la concurrence ardue et à la demande des produits performants pour des coûts réduits, les entreprises accordent une place de choix à leur système de management par la qualité. Une attention spéciale est accordée ces dernières années au système de management visant la qualité totale, TQM1, qui englobe, entre autres, de techniques de contrôle de fabrication permettant d’assurer le fonctionnement optimal d’un processus industriel (stabilité, variabilité minimale, robustesse, respect des contraintes prévues dans le cahier des charges, etc.). Ceci permet à l’entreprise d’atteindre un niveau de contrôle satisfaisant de son processus de fabrication en parfait accord avec les différents standards ou normes qualité. On peut citer par exemple la norme ISO9001V2000 pour la conception, le développement et la production, la norme ISO9004 pour l'amélioration de la performance, ou bien des normes spécifiques à un secteur d'activité ou à un produit, comme la norme ISO TS 16949 dans l'automobile, la norme EN 9100 dans l'aéronautique et la norme ISO 13488 pour les dispositifs médicaux, etc. Le contexte général dans lequel s’inscrivent les travaux développés dans ce mémoire est le contrôle des processus industriels. Plus particulièrement, nous nous sommes intéressés aux processus industriels complexes (processus présentant des caractéristiques distribuées selon des distributions non-gaussiennes, processus instables en boucle ouverte et par conséquent régulés par des régulateurs PID, PI ou PD et plus généralement par toute technique relevant du contrôle automatique de processus). De manière générale, il est considéré que le contrôle de processus intègre quatre grands champs d’application et de recherche : l’identification de l’ensemble des variables permettant de détecter le plus rapidement et le plus facilement les fautes intervenues au cours du fonctionnement d’un processus. 1 TQM= Total Quality Management tel-00535668, version 1 - 12 Nov 2010 2 la détection des fautes, qui consiste à mettre clairement en évidence l’apparition de la faute à l’aide de l’ensemble de variables retenues à l’étape d’identification. le diagnostic de processus, qui consiste à établir la nature de la faute détectée à l’étape de détection. la reconfiguration du système, qui suppose à ramener le processus dans des conditions opérationnelles nominales ou de le modifier afin de réduire, voir annuler, l’impact de la faute sur la qualité du produit fabriqué. Dans ce contexte la MSP (Maîtrise Statistique de Processus) fournit les techniques de base d’identification et de la uploads/Science et Technologie/ msp 1 .pdf