Le système d'exploitation Industrie 4.0

Un aperçu de la pile informatique montre comment le système d'exploitation ouvert BaSys 4.0, l'infrastructure de données et SAP s'harmonisent. Dans la pratique, la mise en réseau des lignes de production est ainsi beaucoup plus facile qu'auparavant et conduit à une numérisation à cent pour cent - du panier d'achat à la fabrication et à l'expédition.

La production en réseau, dans laquelle toutes les étapes de travail sont numérisées, se déroule sur moins d'un mètre carré. Construite en Fischertechnik, la maquette reproduit en détail une production réelle, que l'on peut suivre depuis les étagères en hauteur jusqu'à la fabrication, en passant par les fours de cuisson et les robots, sans oublier le contrôle qualité et l'emballage.

Un tableau de bord montre d'abord la commande qui a été reçue par mobile et saisie dans le backend SAP. Ensuite, le module SAP SD a créé la commande client en arrière-plan. Le système SAP signale au middleware BaSys 4.0 le matériel commandé - et où il est stocké dans l'entrepôt.

Chaque étape ultérieure, de la commande à l'expédition du produit, est désormais visualisée sur une tablette usuelle. La chaîne de processus à traiter est basée sur de véritables flux de données et inclut des interfaces vers l'automate programmable industriel (API) ou des systèmes de bus, ce qui permet d'intervenir à tout moment dans la production. Les données de capteurs traitées des appareils en réseau sont stockées dans le Data Lake (ObjectStore, Hadoop, etc.).

Cette démonstration en direct a été présentée début avril à la foire de Hanovre et montrait Shopfloor 4.0. C'est le nom de la solution développée par l'Institut Fraunhofer d'ingénierie logicielle expérimentale (IESE) en collaboration avec NetApp et Objective Partner.

Shopfloor 4.0 surmonte le plus grand obstacle qui se dressait jusqu'à présent dans les applications industrielles 4.0 : l'échange de données peut désormais se dérouler automatiquement dans un environnement de production en réseau. Cet effet repose sur l'interaction coordonnée de BaSys 4.0 avec ses jumeaux numériques, une infrastructure de données efficace et le SAP, qui a été couplé à la pile informatique. Mais quelles sont les performances de ces différents éléments ?

Communication au moyen de jumeaux numériques

La base logicielle pour Shopfloor 4.0 est créée par le Fraunhofer IESE, qui a développé BaSys 4.0 avec 14 partenaires de la recherche et de l'industrie. Il en résulte un système d'exploitation pour les installations de production qui crée un standard de langage pour l'industrie 4.0. Le projet est soutenu depuis 2016 par le ministère fédéral de l'Éducation et de la Recherche.

BaSys 4.0 est un middleware qui met les machines en réseau - le shop floor et le office floor, c'est-à-dire la production et l'environnement informatique, se parlent désormais. La solution open source assure la communication en prenant en charge les tâches des plateaux de gestion auxquels les machines envoient leurs données.

En se basant sur BaSys 4.0, Fraunhofer IESE, Objective Partner et NetApp ont développé la solution Shopfloor 4.0, qui offre des fonctions de support. La plateforme logicielle charge à cet effet un jumeau numérique pour chaque composant de la machine.

Un modèle de données structure et indique comment les données envoyées doivent être organisées. BaSys 4.0 attribue les données de production à une pièce, rassemble les valeurs et les stocke dans un bac de gestion.

À partir de ce moment, les données acquièrent une signification, une sémantique. Il n'est plus important de savoir de quelle machine les données proviennent et par quel protocole de communication. Les valeurs peuvent être traitées ultérieurement. Ainsi, la pièce à usiner et ses données passent ensemble par la ligne de production.

Cela permet de suivre la qualité des différentes étapes de fabrication et le processus de fabrication dans son ensemble. Avant même qu'un ordre de production ne soit lancé, les jumeaux numériques peuvent s'avérer extrêmement utiles dans la pratique.

Que se passe-t-il si, par exemple, la prochaine commande du calendrier de planification des machines comprend 800 pièces au lieu de 500 ? Un jumeau numérique permet d'anticiper. La simulation définie par logiciel montre si la machine peut passer ou si elle doit être entretenue avant.

En amont, il est possible d'envisager non seulement les grosses commandes, mais aussi le remplacement éventuel des capteurs - dont une machine peut en compter des centaines. Chaque capteur de mesure a son propre logiciel. Une simulation permet de déterminer si le logiciel peut communiquer avec le système après la mise à jour, même dans sa nouvelle version.

Programmation basée sur les services

En plus de la communication de bout en bout, tous protocoles confondus, dans le parc de machines, BaSys 4.0 s'accompagne d'un autre progrès décisif : les automates programmables fournissent les services appelés par les utilisateurs de services.

Les utilisateurs du service définissent donc les processus de fabrication et les modifient. Pour cela, les machines doivent être reprogrammées. Cela se fait désormais de manière beaucoup plus efficace que si l'on devait le faire avec l'API, comme c'était le cas jusqu'à présent.

Cela conduit à la production basée sur les services, qui permet de réaliser des petites séries jusqu'à la taille de lot 1. Dans la pratique, un responsable de production peut en outre insérer la commande la plus importante. L'installation appelle simplement le service nécessaire - et la nouvelle série de fabrication démarre.

Mise en place d'une infrastructure de données efficace

Le middleware BaSys 4.0 ne produit toutefois les effets décrits que s'il fonctionne dans une infrastructure de données dans laquelle les données sont hautement disponibles. NetApp répond à cette exigence avec son système de gestion des logiciels et des données pour Shopfloor 4.0.

Différentes technologies interagissent dans l'architecture de référence conçue, afin que les processus de bout en bout puissent être reproduits de manière transparente sur site et dans le cloud. Tout d'abord, le fournisseur de stockage NetApp Trident et les snapshots rendent BaSys 4.0 hautement disponible dans le conteneur.

NetApp est actuellement le seul fournisseur à résoudre ce défi en reliant les conteneurs Trident à une couche de persistance (persistency layer). En effet, dans le cas contraire, un conteneur perdrait des données après un redémarrage ou suite à une panne du système.

Les conteneurs peuvent être mis à disposition via le service NetApp Kubernetes (NKS). NKS permet de simplifier et d'automatiser la mise en place, l'exploitation et le dimensionnement des conteneurs.

Le meilleur choix pour cet environnement de conteneurs est une infrastructure hyperconvergée (HCI) de NetApp, car elle offre une évolutivité horizontale et des performances garanties (qualité de service). Il manque encore un élément important, la NetApp Data Fabric, qui unifie la gestion des données sur les ressources distribuées.

Elle relie de manière transparente les environnements de cloud privés, publics et hybrides, sans risque de verrouillage du cloud par le fournisseur. Shopfloor 4.0 gagne ainsi en flexibilité et en évolutivité.

Intégration dans SAP

L'architecture de référence Shopfloor 4.0 relie les partenaires d'Objective à SAP, ce qui permet de relier la production aux processus commerciaux et de gestion de l'entreprise. Ce n'est qu'ainsi que l'on obtient une vision de bout en bout qui inclut le donneur d'ordre dans le sens d'un parcours client réussi.

Concrètement, BaSys 4.0 communique avec le SAP Data Hub, qui reçoit les données dans un standard du middleware, les prépare conformément à SAP et les transmet au système ERP ou aux processus standard SAP.

Les données de fabrication gérées par BaSys 4.0 peuvent être utilisées pour d'autres applications - par exemple pour le Machine Learning. Le SAP Data Hub, qui fonctionne comme BaSys 4.0 dans un cluster Kubernetes, offre la possibilité de combiner une telle application d'IA avec des processus SAP standard.

En outre, la SAP Cloud Platform (SCP) met à disposition des algorithmes basés sur des produits open source d'hyperscalers tels que Google, Microsoft Azure et Amazon Web Services. L'entraînement des algorithmes avec des données a lieu dans le cloud, ce qui ouvre la voie à une gestion des données multiplateforme telle que la NetApp Data Fabric la réalise.

Jusqu'à présent, les entreprises avaient besoin d'une solution de gestion des données qui amène les données là où elles doivent être traitées et qui les récupère ensuite. Aujourd'hui, il ne suffit plus de copier les données de bout en bout. Une application doit être capable d'intervenir de bout en bout.

Un service d'infrastructure de données natif, intégré aux plus grands hypercalculateurs et disponible en quelques secondes, permet de relever ce défi. Chez NetApp, ce stockage de données natif du cloud s'appelle Cloud Volumes Service.

Il fournit aux applications, qu'il s'agisse d'analyses, de bases de données ou de DevOps, un accès rapide aux données. Le système d'exploitation de stockage ONTAP accélère les opérations jusqu'à une vitesse 20 fois supérieure à la vitesse habituelle.

Personnalisation et production de masse vont de pair

Du point de vue technique, il n'y a pour l'instant aucune limite à la connexion de tout avec tout. C'est aux entreprises de décider jusqu'où elles veulent aller. Avec Shopfloor 4.0, les entreprises de production disposent désormais d'une solution qui leur ouvre la voie vers l'industrie 4.0 et simplifie la numérisation de bout en bout des processus.

L'intervention continue dans la commande de l'installation, le traitement parallèle des commandes et la mise en place rapide d'une nouvelle ligne de production comptent parmi les principales caractéristiques des environnements de production en réseau, qui s'appuient sur le mélange de technologies et de savoir-faire des partenaires de coopération.

Pour la mise en œuvre, les partenaires se partagent les tâches : NetApp fournit la pile informatique, Fraunhofer IESE intègre son logiciel open source BaSys 4.0 et Objective Partner prend en charge le support de premier niveau de la solution, dans laquelle BaSys 4.0, l'infrastructure de données et les processus SAP interagissent parfaitement - pour une fabrication basée sur les services qui réunit la personnalisation du client et la production de masse.