LES NORMES, NERFS DE LA GUERRE DE L’INDUSTRIE 4.0

Détail du programme allemand 2015-2035 (seconde partie)

Cette seconde partie de notre enquête sur le programme allemand, se concentre sur le modèle d’architecture RAMI4.0, véritable pierre angulaire de la stratégie germanique. Une exclusivité Smart-Industries.

 

Nous avons vu dans la première partie de notre enquête où l’industrie allemande en est dans le développement de son modèle d’Industrie 4.0. L‘industrie qui se dessine sous les traits de notre enquête est une industrie plus connectée, plus humaine, avec de nouveaux « réseaux de créations de valeurs ».

Le point central de l’Industrie 4.0, c’est la modélisation des composants, et son intégration en temps réel dans un système informatique central. Pour ce faire, le modèle doit prendre en compte toutes les opérations du cycle de vie en jeu pendant le processus production, de l’amont jusqu’à l’aval. De même, la modélisation de tous les composants et de toutes les fonctions à toutes les étapes du processus de production demande la création d’un modèle de référence particulièrement développé et hiérarchisé. Ce modèle industriel doit permettre de créer le fameux « réseau de création de valeur ».

 

RAMI4.0, la pierre angulaire

Si les différents comités scientifiques ont bien avancé sur les grands principes de l’Industrie 4.0, reste qu’une description technique de l’architecture de référence de l’Industrie 4.0 est la condition sine qua non au démarrage de l’Industrie 4.0. Car il ne suffit pas de modéliser tous les éléments d’une usine pour créer une Industrie 4.0. Encore faut-il que chaque élément délivre la bonne information au bon moment de son cycle de vie, et que le flux d’information en continu puisse être compris et traité par le système informatique central.

Pour créer ces automatismes industriels, il faut partager des règles communes. C’est pourquoi nous nous attardons dans cette seconde partie de notre enquête sur le modèle d’architecture déjà évoqué, RAMI4.0. Véritable pierre angulaire de la stratégie allemande, le modèle permettra à l’Allemagne d’imposer sa vision de l’industrie du futur.

Grâce à une meilleure connaissance du modèle d’industrie 4.0, les industriels allemands seront capables d’inscrire les nouvelles interactions entre les acteurs et l’automatisation des réseaux de création de valeur dans des normes et des standards. Un sondage mené en 2015 par l’association professionnelle allemande des industriels de la micro et de la nano électronique (Semi) identifiait la standardisation comme le premier défi à relever pour le programme Industrie 4.0 . Car les normes sont bien le nerf de la guerre économique que sont en train de se livrer les grandes nations industrielles.

A la lecture de leur fiche de route que Smart Industries a réussi à se procurer, l’industrie allemande souligne que les comités internationaux de normes sont de moins en moins efficaces dans la création de règles internationales. Ainsi ils laissent au soin des comités nationaux la définition des nouvelles normes. Cela signifie que le succès des standards de l’Industrie 4.0 dépend des comités nationaux, et donc en premier lieu des comités scientifiques allemands. L’industrie allemande est bien consciente de l’opportunité unique qu’elle a d’imposer ses propres normes aux autres pays. Ce n’est d’ailleurs pas un hasard si le premier chantier lancé par le premier rapport Industrie 4.0 de 2013 concernait la normalisation de l’architecture de référence choisie.

C’est pourquoi le comité scientifique a confié à son premier groupe de travail le soin de faire le point sur les normes et les standards nécessaires pour schématiser ces nouvelles interactions .

 

Le modèle d’architecture de référence « Industrie 4.0 »

Le modèle de référence de l’industrie 4.0 allemande porte le nom de RAMI4.0. Les comités scientifiques n’ont pas créé bien évidemment un modèle ex nihilo. RAMI4.0 est inspirée de l’architecture des smart grid, « Smart Grid Architecture Model » (SGAM). Ce modèle a d’ailleurs déjà été décrit sous forme de standard par l’institut des normes allemandes DIN, sous le terme de DIN SPEC 91 345. Il doit servir de base pour identifier les normes et les standards  susceptibles d’être modifiés ou ajoutés afin de correspondre aux principes de l’industrie 4.0.

La maquette de RAMI4.0 est ainsi composée de 3 trois axes, qui reprennent les grands principes évoqués dans la première partie de cette enquête. Sur l’axe horizontal de droite sont décris l’organisation et à la hiérarchie des fonctions. Sur l’axe horizontal de gauche sont représentés le cycle de vie du produit et le réseau de création de valeur. Enfin le modèle est doté d’une troisième dimension consacrée aux étapes de transcription du processus opérationnel avec le monde numérique.

L’axe horizontal de droite d’abord structure et hiérarchise les fonctions au sein du processus de production. La description de ces fonctions s’appuie sur les deux normes déjà existantes IEC 62264 (Intégration des systèmes entreprise-contrôle) et IEC 61512 (conception et la spécification des systèmes de contrôle des procédés de fabrication batch). Plusieurs échelons ont toutefois été ajoutés, comme le « field device »,  pour situer les appareils de terrain intelligent, l’échelon « product », puisque les objets sont également communicants, et l’échelon « connected world », afin d’englober les sous-traitants, les bureaux d’études jusqu’aux clients. Les fonctions orientées processus manufacturier sont également présentes au travers des fonctions « contrôle device » et « station ».

Sur l’axe horizontal de droite est représenté le cycle de vie. Tous les éléments ont un cycle de vie, rappelle la feuille de route, en reprenant l’analyse des professeurs Constantinescu et Bauernhansl, de l’Institut allemand Fraunhofer. Ainsi le produit est bien évidemment doté d’un cycle de vie, mais aussi le composant, la commande, la machine et l’usine. La norme IEC 62890, qui touche à la gestion du cycle de vie des systèmes et des produits, constitue un bon socle de départ pour poser un cadre à ce cycle de vie. La feuille de route prévoit toutefois que la norme devra peut-être être complétée, notamment pour intégrer la distinction entre la phase « type » et la phase « instance ». Nous reviendrons sur l’importance de cette distinction lors de la partie consacrée à l’enveloppe administrative.

Enfin l’axe vertical décrit les diverses couches IT des processus opérationnels. La couche « Business » traite des processus opérationnels, de la modélisation des règles du système et de l’orchestration des services de la couche « Fonctionnelle ». La couche « Fonctionnelle » décrit les fonctions et les environnements temps réel pour les applications et les services. La couche « Information » fournit un environnement temps réel pour le traitement des évènements et règles associées qui permettront de lancer des processus dans la couche supérieure. La couche « Communication » décrit la standardisation de la communication à partir de la couche « Information ». Son action prépare le contrôle/commande de la couche « Intégration », qui a été ajouté au modèle initial. Cette dernière couche décrit essentiellement les relations entre l’IT (Lecteurs RFID, capteurs, HMI…) et le monde « réel ». Enfin la couche « asset », qui a remplacé le terme « Composant » dans le modèle initial afin d’englober autant l’objet que la machine ou l’usine, prend en compte tous les éléments physiques, y compris l’homme. Ce dernier est connecté au monde virtuel via la couche « Intégration ».

 

Le composant 4.0

Dans cette nouvelle architecture, l’objet modélisé devient l’élément central. C’est pourquoi un effort de définition a été mené par RAMI4.0 sur ce point. Le terme d’« objet », trop restreint, a d’abord été remplacé par « composant ». Le principe de base du composant 4.0 est qu’il est facilement identifiable via une adresse de communication (adresse IP par exemple) et peut communiquer avec tous les terminaux en utilisant des protocoles de communication (sémantique) partagés par tous.

L’association professionnelle VDI/GMA a déjà apporté une définition spécifique du composant. Selon le comité technique piloté par VDI/GMA, le VDI GMA 7.21, « le concept de composant est général. Il désigne un objet du monde physique ou du monde de l’information qui joue un rôle précis dans son environnement de système ou dont on prévoit qu’il jouera un tel rôle. Un composant peut par exemple être un tuyau, un bloc-fonction SPS, une lampe, une valve, une unité motrice intelligente, etc. Ce qui est important c’est l’étude comme unité et le rapport au rôle (fonction) qui doit la prendre en charge ou qui la prend déjà en charge ».

Il faut rappeler que toutes les entités sont potentiellement des « composants ». C’est le cas ainsi des logiciels, des archives ou même des concepts. Rangé selon la classification CP, CP24, CP34 ou CP44, le composant correspond à plusieurs critères, comme sa capacité à communiquer ses fonctions et ses données. Mais avant tout, il doit être identifiable. GMA distingue 4 catégories d’objet, les « non reconnus », les « anonymement connus », les « individuellement connus » et les « entités », l’entité ouvrant la voie au statut de « composant ». De son passage du statut « d’objet non reconnus » à celui de « composant » dépend sa compatibilité avec l’Industrie 4.0.

Selon le schéma de GMA, le premier critère qui fait sortir l’objet de l’anonymat est son appartenance à la phase « type » ou la phase « instance » lors de son cycle de vie. La période « type » désigne la période allant de l’idée au prototype, c’est à dire la phase où l’objet est créé. La période « instance » désigne la période où l’objet existe réellement et est produit en série.

Ces phases peuvent être multipliées pour un même objet. Par exemple, il peut arriver que l’usine reprenne la conception d’un objet déjà lancé afin de répondre à une demande des clients. Le produit dans la phase « instance » revient alors à la phase « type ».

La distinction entre « type » et « instance » permet d’enrichir la création de valeur grâce à la meilleure connaissance des différentes phases de production. Par exemple, la gestion de l’intralogistique (logistique interne) peut devenir autonome en s’appuyant sur le carnet de commande connecté au réseau. La connexion de tous les composants de l’industrie rend moins importante en revanche certaines distinctions, comme la distinction entre « office floor » et « shop floor », puisque les composants communiquent désormais de manière indépendantes et à tous les niveaux. Pour l’instant les instances dites « apparentes », qui résultent d’instanciation d’un type, ne sont pas prises en compte, ce qui signifie qu’un important travail sur son « type » doit être mené.

Le deuxième critère qui transforme l’objet en composant est sa capacité à communiquer. Les capacités de communication ne demandent pas forcément l’ajout de nouvelles capacités, puisqu’un objet doté d’une communication passive peut être considéré comme un objet « Industrie 4.0 ».

Ainsi un objet fonctionnant selon Profinet est tout de même un objet 4.0 grâce à ses seules données I&M. La gestion des communications est ensuite assurée par l’architecture SOA. La feuille de route préconise par contre de travailler au développement de techniques de communication longue distance compte tenu du fait que la mise en réseau de tous les éléments de production peut amener à connecter des usines éloignées les unes des autres.

Le troisième critère qui permet de caractériser un objet 4.0 concerne l’ampleur de ses données propres, c’est à dire sa « représentation virtuelle ». Toutes les données sont classées. Une partie est intégrée dans son dossier informatique « Manifeste – Manifest dans les documents 4.0 » qui contient notamment les méta-données (caractéristiques mécaniques, fonction, localité, efficacité…) et les tâches techniques comme le mode de connexion. A côté, l’objet peut également communiquer des données sur son cycle de vie, les schémas de raccordement ou encore les manuels. Il s’agit de la partie « resource manager » de ces données.

Nous verrons plus loin que toutes ces données peuvent être soit intégrées directement dans l’objet, ou associées à lui dans le système informatique (SOA) en fonction des capacités de communication de l’objet. Ces données sont traitées sur la couche « information ». Enfin l’objet devient un composant s’il est capable de renseigner sur sa fonction. Elle peut désigner le logiciel qui a mis en place la « planification locale », le logiciel pour l’exploitation ou encore la maintenance de l’objet. Ces informations sont traitées sur la couche « fonctionnelle ».

Le composant doit également respecter quelques autres obligations. D’abord, l’infrastructure minimale du composant doit respecter le principe du Security by Design (SbD). En plus de la protection de ses fonctions et de ses données, le composant peut assurer des fonctions de sécurité pour la machine. De même, le choix du composant doit respecter le principe du Quality of service (QoS), en correspondant notamment aux exigences de l’environnement de l’automatisation dans lequel il va être utilisé (temps de réponse en temps réel, sécurité anti-panne, synchronisation des horloges…).

 

L’enveloppe administrative

La diversité des obligations pour définir un « objet » conforme à l’Industrie 4.0 a amené RAMI4.0 à créer un niveau de modélisation supérieur, l’enveloppe administrative. Le rapport précise que « l’enveloppe administrative englobe la représentation virtuelle et la fonctionnalité de l’objet ». Si l’objet est capable de communiquer selon les exigences de l’Industrie 4.0, l’enveloppe administrative est dans l’objet, par exemple enregistrée dans les commandes d’une machine et livrée par l’interface-réseau.

A noter qu’un objet peut avoir différentes enveloppes en fonction du nombre de ses objectifs. Si l’objet n’est pas capable de communication, ou doté d’une communication passive, l’enveloppe administrative peut également être intégrée dans le système informatique (SOA). Ainsi la relation reste garantie entre les deux. Le rapport identifie ici une nouvelle piste de travail, en précisant que le transport de l’enveloppe administrative vers le SOA et sa mise à disposition mérite d’être approfondi.

Le principe du composant Industrie 4.0 est qu’il doit être capable de se connecter de manière transversale à tous les composants lors du processus industriel, que ce soit dans la phase « type » ou « instance ». Mais cette capacité ne doit pas l’empêcher de mener sa tâche première, même en cas de perturbation de la communication.

Cette capacité est assurée par « l’encapsulation » des composants, selon le SG2 (architecture de référence du groupe-miroir ZVEI) et SG4 (Security du groupe-miroir ZVEI), suivant le principe informatique de la Separation of Concerns (SoC). C’est pourquoi le document précise bien que si le mode de communication Industrie 4.0 et le mode de communication déterministe ou en temps réel existant utilisent les mêmes infrastructures de communication (branchement, fiches, stations intermédiaires…), les deux types doivent rester séparés.

Il en résulte que « la communication conforme à l’Industrie 4.0 ne doit pas, dans l’état actuel, complètement remplacer (scénario de migration) la communication des bus de terrains reposant sur Ethernet ». Les deux modes de communications doivent ainsi se compléter, l’Industrie 4.0 délégant une partie de la communication à ces modes de communication déjà existants.

Il faut également ajouter qu’une machine de l’Industrie 4.0 communicante est elle-même composée de composants communicants. Ainsi l’architecture RAMI4.0 prévoit que la communication des composants puisse indiquer s’ils sont imbriqués ensemble. Ainsi il est prévu que l’objet supérieur puisse exprimer deux interfaces de communication, jusqu’à ce qu’elles soient séparées pour des raisons logiques et physiques.

Là encore, le rapport prévoit que la distinction entre les composants supérieurs et inférieurs soit intégrée dans l’enveloppe administrative, et que les données précises si le composant est lié à d’autres composants. Disposer de cette information permettra de reconfigurer une machine par exemple, ou rendre compte à l’échelon supérieur du statut de la machine dans son ensemble. Le rapport prévoit que l’état de chaque composant soit également accessible, avec la publication de sous-états, ce qui permettra d’obtenir un état des fonctions de la machine.

 

Les points à améliorer

Au regard de cette enquête, le projet d’Industrie 4.0, et l’architecture de référence de ce projet, apparaît plus clair. Il se base d’abord sur des normes déjà existantes, qui permettent déjà de travailler sur des projets concrets. C’est le cas de la norme IEC 61572 notamment. Mais d’autres secteurs apparaissent mal connus, et devraient donner lieu à la modification des normes en vigueur ou à la création de nouvelles normes. Il s’agit notamment de l’interoperabilité des composants. C’est pourquoi les questions de sémantique de QoS, de communication et d’identification sont présentés comme les quatre sujets sur lesquels les comités vont devoir se pencher plus en avant.

Sémantique

Les premiers travaux ont commencé autour de la création d’une syntaxe commune. Les acteurs de l’Industrie 4.0 devront être capables à terme de créer une organisation complète et normée autour de l’échange d’information. Ils s’appuieront probablement sur la classification de

l’eCl@ss.

Quality of Service

Le défi va être la mise en place d’accords de qualité de service entre les composants, comme la capacité à communiquer en temps réel ou la prévention de panne.

Communication

Les travaux vont devoir adapter ou créer les normes conformes aux nouvelles méthodes de communication introduites dans l’automatisation et la transmission des informations.

Identification

La fixation des fonctions des composants va devoir être standardisée et normée afin de baisser le coût d’adaptation à l’interface pour les machines et les installateurs. Chaque fabricant devra pouvoir se connecter, afin d’introduire (encapsuler) ses propres fonctions.

 

Une opportunité majeure pour l’industrie allemande

En conclusion, le document revient sur l’importance des travaux actuellement menés qui permettront la définition de normes plus précises adaptées aux besoins de l’Industrie 4.0. Ainsi le document rappelle à cet égard le rôle central des travaux sur les normes de communications de l’Internet Engineering Task Force (IETF) et du W3C-Konsortium. Ils permettront notamment d’améliorer l’interopérabilité des composants et une meilleur qualité de réseau.

Toutefois comme le document l’a montré, il reste plusieurs secteurs où les acteurs industriels ne partagent pas de normes communes. C’est ainsi l’occasion pour les auteurs de revenir à nouveau sur les conditions de créations des normes, et d’en révéler tous les enjeux actuels.

Une norme peut d’abord être la pure création des comités internationaux compétents, et ensuite être transposée par un comité national. Ça a été le cas par exemple pour la norme IEC61131-3, qui est devenue ensuite la norme DKE/AK 962.0.3 « Langage pour automates programmables » en Allemagne. Mais la création d’une norme peut également être le fait de la spécification par un consortium international, qui est ensuite transposée en norme, européenne d’abord, puis internationale. Cela a été le cas avec la norme ISA S 88, l’International Society of Automation (ISA) étant une association professionnelle internationale consacrée à l’automatisation et à la supervision des procédés industriels. Elle a été transposée ensuite en une norme internationale, la norme IEC 61 512. Enfin un comité strictement national peut mettre au point des spécifications, qui sont ensuite adoptées au niveau international en norme.

Or le rapport souligne que l’établissement de normes directement au niveau international est de moins en moins fréquent. Les temps demandés aux membres des comités internationaux sont de plus en plus importants compte tenu de la complexité croissante des échanges. Or la plupart des membres sont bénévoles, avec des durées d’engagement limitées. De ce fait le rôle des consortiums et des associations nationales est de plus en plus important. L’avance prise par l’industrie allemande dans le développement de l’Industrie 4.0 lui donne donc la possibilité de mettre au point au niveau national les spécifications qui pourraient ensuite devenir des normes internationales.

La feuille de route esquisse la stratégie des acteurs de l’Industrie 4.0, « ancrer pas à pas dans les normes internationales les bases essentielles des fonctions techniques et des possibilités d’applications ».

Le document rappelle d’ailleurs que les associations professionnelles allemandes sont organisées par consensus, ce qui assure une diffusion rapide des travaux menés sur la normalisation de l’Industrie 4.0. C’est pourquoi le rôle des comités nationaux comme VDI/GMA est essentiel.

En conclusion, l’annonce par le Président de la République, François Hollande en octobre dernier d’une collaboration plus proche entre le programme Industrie 4.0 allemand et l’Industrie du Futur français arrive à point nommé. Espérons, pas trop tardivement.

Merci pour leurs apports précieux à Florent Detroy, Franck Mercier et Bertrand Ricque. 

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