Le concept d’industrie 4.0 (autrefois appelé « Industrie du futur en Maroc ») a progressivement gagné en popularité auprès des industriels grâce à des projets de plus en plus concrets. De plus, la crise énergétique qui perdure depuis un certain temps les a incités à utiliser plus d’instrumentation. L’atelier accueille une multitude de capteurs et d’équipements de mesure, mais il incombe au service de maintenance d’assurer la surveillance et le maintien rigoureux de ces dispositifs, conformément à des normes précises d’étalonnage et au choix du protocole de communication approprié.

L’instrumentation industrielle se réfère à l’emploi d’équipements et de mécanismes de mesure destinés à recueillir, superviser et suivre des informations dans des contextes industriels. L’instrumentation industrielle et les systèmes de mesure associés jouent un rôle déterminant dans l’amélioration des processus de production, d’entretien et de gestion de l’énergie, bien qu’elles soient courantes dans les secteurs chimiques, pharmaceutique et agroalimentaire.

L’instrumentation utilise des technologies de pointe et des détecteurs avancés qui peuvent recueillir des informations exactes et en temps réel, examiner la performance des installations et assister les techniciens de maintenance dans la prise de décisions rapides face aux problèmes survenant sur le réseau ou le processus. En plus des défaillances et des problèmes liés aux lignes, ces dispositifs contribuent non seulement à optimiser l’efficacité globale du processus de production, mais aussi, un atout majeur depuis le commencement de la crise énergétique, à diminuer les dépenses et réduire l’impact sur l’environnement.

Quels instruments sont concernés ?

L’expression « instrumentation industrielle » fait généralement référence à une multitude d’équipements, depuis les capteurs jusqu’aux transmetteurs, incluant les sondes, les enregistreurs, les régulateurs, les vannes de contrôle et tout autre dispositif employé pour quantifier divers paramètres comme la pression, la température, le débit, la concentration, le niveau, la vitesse, etc. Elle rassemble donc une multitude d’instruments et de mécanismes employés pour quantifier, superviser et contrôler les facteurs physiques des méthodes de production.

Objectif de ces outils ? Recueillir les informations physiques ou chimiques requises pour convertir ces dernières en signaux électriques ou électroniques. Ces derniers peuvent servir à la surveillance et au contrôle des processus industriels, à la prévision des défaillances, à l’optimisation des performances, ainsi qu’à la préservation de la sûreté et de la fiabilité des installations industrielles… tout en contribuant à diminuer le coût d’énergie en observant les changements de température, de pression, de consommation d’électricité et à l’émergence d’éventuelles fuites. En analysant et en contrôlant des paramètres physiques comme la consommation d’énergie, la température, le débit et la pression, les services de nettoyage peuvent repérer les facteurs de gaspillage, instaurer des dispositifs d’efficacité énergétique et diminuer l’impact sur l’environnement.

L’instrumentation industrielle évalue diverses valeurs matérielles en fonction des exigences particulières de la production industrielle, des indicateurs qui se révèlent cruciaux pour garantir le bon déroulement du processus. Parmi ces éléments, on retrouve la pression (dans les installations de conduite comme les réservoirs, les chaudières et d’autres contenants sous pression…), la température pour contrôler les niveaux de chaleur sur les machines, ainsi que les systèmes de refroidissement qui permettent de mesurer la température des fluides en particulier, ainsi que les moteurs et compresseurs. De plus, l’analyse vibratoire et les ultrasons se complètent efficacement en fonction des exigences précises recherchées.

Un autre critère pris en compte est le débit, qui permet d’évaluer la quantité de fluide, gaz ou matériau traversant des conduites ou canalisations. Quant à la mesure de niveau, elle sert à contrôler le taux d’occupation des réservoirs, cuves ou silos. Pour conclure, on peut quantifier la concentration (indispensable dans le domaine de la chimie et du traitement de l’eau), la conductivité (électricité), le pH ou la vitesse.

Des secteurs d’activité à la pointe de l’instrumentation industrielle

Grâce à ces dispositifs, les secteurs industriels peuvent également contrôler et adapter en direct les paramètres de production, repérer d’éventuels problèmes, diminuer les périodes d’arrêt et optimiser la performance des machines. Ces instruments, conçus pour la maintenance préventive et anticipée des installations, utilisent des méthodes de mesure comme l’analyse vibratoire, l’étude des fluides, la thermographie et le suivi des gaz. Ils permettent d’obtenir des données essentielles sur la santé du dispositif de production, d’optimiser ses performances et d’éviter les interruptions imprévues.

Par exemple, dans le secteur chimique, on recourt souvent aux capteurs de débit et régulateurs de pression pour réduire les pertes d’énergie causées par les fuites dans les réseaux de distribution des fluides. L’observation constante de la tension et de la température dans les processus chimiques garantit la sûreté et le rendement de la production. Ce critère est crucial (et impératif) dans ce domaine d’activité, tout comme l’évaluation du volume des solutions chimiques pour assurer la qualité du produit final ou le contrôle du volume des réservoirs de stockage.

Dans le secteur pharmaceutique, il est essentiel de réguler la température et l’humidité dans les lieux de fabrication et d’entreposage des médicaments. Il est également crucial de suivre en permanence les paramètres de stérilisation (température, pression) dans les autoclaves, ainsi que la mesure de la teneur en substances actives pour garantir la qualité et l’efficience des médicaments. Il ne faut pas négliger l’observation précise du débit et de la pression pendant la production de médicaments liquides ou gazeux.

Finalement, dans le secteur agroalimentaire, l’évaluation du débit et de la pression est effectuée lors de la transformation des aliments, tels que la production de lait ou des jus. Il est crucial de surveiller la température lors des procédés de cuisson et de pasteurisation, tout comme le contrôle de l’humidité dans les lieux d’entreposage des aliments. Finalement, l’évaluation de paramètres comme le pH permet de garantir la qualité des aliments avant leur conditionnement.

Résoudre les problématiques de maintenance et d’entretien des instruments de mesure

Malgré une certaine compétence en instrumentation industrielle, les techniciens de maintenance rencontrent néanmoins diverses difficultés. Parmi ces causes, on retrouve le dysfonctionnement des capteurs : en milieu industriel, ils peuvent se détériorer au fil du temps et aussi suite à des conditions d’utilisation rigoureuses (et peu appropriées pour le modèle sélectionné) ; cependant, un capteur endommagé conduit à des mesures erronées, compromettant par conséquent la fiabilité des informations.
Face à la détérioration des capteurs et d’autres dispositifs de mesure, afin de garantir la précision requise, il est crucial d’effectuer régulièrement des procédures de calibration et d’ajustement. C’est également le cas pour l’étalonnage (à confier à des entités certifiées Cofrac).

Afin de faire face efficacement aux problèmes de détérioration, d’usure temporaire ou au contraire prématurée des instruments de mesure et garantir une calibration adéquate, les techniciens de maintenance se voient contraints de se perfectionner suffisamment pour saisir leur mécanisme… et, avant tout, de sélectionner judicieusement le matériel en accord avec les attentes en matière de collecte de données et de contexte industriel. Ils sont obligés de maintenir une surveillance technologique régulière, surtout compte tenu de la rapidité d’évolution de l’instrumentation industrielle.
N’oublions pas qu’en ce qui concerne le calibrage et l’étalonnage, il est primordial de mettre en place un plan permettant de déterminer les instruments à calibrer, les fréquences de calibrage recommandées par les constructeurs ou les normes actuelles, ainsi que les procédures particulières à respecter.

En ce qui concerne les capteurs, la calibration (avant et pendant son utilisation pour prévenir toute déviation) nécessite de suivre plusieurs étapes essentielles comme la préparation (contrôler la propreté et le bon fonctionnement du capteur), le contexte dans lequel il sera utilisé, l’ajustement régulier du capteur en accord avec la courbe d’ajustement, puis la vérification finale des dispositifs de mesure. Toutefois, il est important de noter qu’une fois placé dans l’atelier de fabrication, il est susceptible d’être soumis à des fluctuations de température, d’humidité et de pression… ces changements peuvent nuire aux mesures du capteur.

Opter pour le bon protocole de communication

Dans l’usage et la maintenance de l’instrumentation industrielle, on rencontre également des perturbations électromagnétiques sur certaines surfaces, qui peuvent conduire à des mesures incorrectes. Cependant, avant même d’incorporer ses premiers capteurs dans son atelier de fabrication, il est crucial de contrôler attentivement la compatibilité et l’interopérabilité des dispositifs de mesure.

Effectivement, il est possible que certains dispositifs de mesure présentent des interfaces distinctes, rendant par conséquent leur association avec d’autres installations ou systèmes de contrôle… En conséquence, cela entraîne des problèmes dans la communication et le transfert d’informations. Concernant les protocoles de communication, ils sont nombreux et variés ; lorsqu’ils ne correspondent pas, cela engendre des difficultés pour créer un lien et partager des informations entre le capteur de mesure et le dispositif de contrôle.

Il existe plusieurs protocoles concernés : On utilise fréquemment Ethernet/IP (également appelé Ethernet industriel) pour assurer une communication stable et instantanée entre les dispositifs via un réseau câblé. Profinet, quant à lui, se démarque par sa rapidité d’exécution. En revanche, le protocole Profibus est largement utilisé pour relier les appareils sur site à un système de contrôle central. Il se distingue par sa simplicité notamment grâce au gain de câblage et est disponible sous divers profils (ProfiSafe, ProfiDrive, Profibus DP ou PA).

L’IO-link, un autre protocole de plus en plus utilisé dans le secteur industriel, agit comme une interface de communication entre le capteur (ou actionneur) et l’automate. L’IO-link, basé sur la norme CEI 61131, est conçu spécifiquement pour l’automatisation et se révèle particulièrement utile lorsqu’il est nécessaire de collecter le plus d’informations possible afin de mieux contrôler le dispositif de production. Avec plusieurs mesures effectuées sur un unique instrument de mesure, il est aussi simple d’installer, d’utiliser et de conserver en cas de détérioration des capteurs.

En se basant sur les protocoles RS-232/RS-485 et une structure maître-esclave, Modbus est fréquemment employé pour la communication entre machines industrielles en raison de sa facilité d’intégration. Cependant, il se révèle de plus en plus peu approprié aux exigences de puissance actuelles. De plus, la mise en place de l’AS-I (AS-Interface) est simple et simplifie le contrôle des capteurs. Par ailleurs, le Transducer à distance routier (HART) est nécessaire pour la maintenance conditionnelle et prévisionnelle en raison de sa capacité à recueillir des informations de diagnostic et d’état de santé du dispositif de production.Finalement, le protocole Foundation Fieldbus se caractérise également par sa facilité d’utilisation en réduisant la distance des câbles, permettant ainsi de relier plusieurs dispositifs sur un unique câble.

Mais comment sélectionner le protocole approprié ? Selon leurs caractéristiques (indiquées auparavant), certains peuvent être plus compliqués à mettre en place, tandis que d’autres peuvent être sur ou sous-dimensionnés en fonction des volumes de mesures à traiter ou de la vitesse de communication désirée (en cas de débits extrêmement élevés), sans négliger la nécessité (ou non) de recueillir des informations supplémentaires pour la prévision de la maintenance.

Mais comment sélectionner le protocole approprié ? Selon leurs caractéristiques (indiquées auparavant), certains peuvent être plus compliqués à mettre en place, tandis que d’autres peuvent être sur ou sous-dimensionnés en fonction des volumes de mesures à traiter ou de la vitesse de communication désirée (en cas de débits extrêmement élevés), sans négliger la nécessité (ou non) de recueillir des informations supplémentaires pour la prévision de la maintenance.

Dans toutes les situations, il faut précisément définir ses besoins pour se diriger vers le capteur et le système de contrôle, puis choisir le protocole le plus approprié, estimer les dépenses et la complexité d’installation, puis les contraintes liées à la maintenance, et forger son personnel si nécessaire.