Les technologies clés

Matériaux

Caractérisation et surveillance de l'endommagement

Fiche Technologie-clé n : 84

VERSION 3

• Présentation de la technologie
• Objectifs de la technologie
• Environnement technologique

Présentation de la technologie

Définition

Les techniques de surveillance et de caractérisation de l'endommagement de pièces peuvent être scindées en deux grands groupes : celles à base de redondance matérielle et celles a base de redondance analytique. Ces différentes méthodes ne fournissent que des informations brutes sur les éléments surveillés, informations qui doivent dans tous les cas être traitées puis analysées par un système de supervision afin de remplir la fonction de caractérisation de l'endommagement.

La redondance matérielle : Un ensemble de capteurs similaires surveillent simultanément une même pièce. Tant que les valeurs délivrées par ces capteurs restent égales entre elles, l'information est considérée comme fiable car il est très improbable que tous les capteurs fassent la même erreur de mesure au même instant. Si une de ces valeurs s'écarte significativement des autres, c'est qu'un problème est apparu, non pas sur la pièce surveillée mais sur le capteur qui délivre cette valeur aberrante. Cette technique est très fiable mais également très chère, car il faut prévoir plusieurs capteurs pour chacun des éléments à surveiller.

La redondance analytique : Dans ce cas, un élément n'est surveillé que par un seul capteur, mais lorsque l'on détecte un problème sur le couple élément / capteur, on ne peut pas savoir lequel des deux est en cause. Néanmoins, pour un système comportant plusieurs éléments, des relations mathématiques existent entre les différentes informations relevées. L'analyse de la globalité de ces informations par des algorithmes spécifiques permet de préciser, lorsqu'un problème est détecté, si ce problème provient de la pièce en elle-même ou du capteur qui la surveille. Cette technique est légèrement moins fiable que la redondance matérielle. Néanmoins, elle est nettement plus avantageuse aussi bien au niveau financier qu'au niveau de l'espace occupé, car chaque élément à surveiller ne nécessite qu'un seul capteur.

Système de supervision : Les informations fournies par redondance matérielle, redondance analytique, voire simultanément par ces deux biais, doivent être traitées puis analysées pour pouvoir caractériser l'endommagement d'une pièce. C'est cette fonction que remplit le système de supervision, (généralement un système informatique dédié), qui joue également le rôle d'interface en présentant les résultats de ce traitement sous une forme facilement compréhensible par un opérateur humain.

Techniques mises en oeuvre

Lors de la mise en oeuvre de la technologie de surveillance et de caractérisation de l'endommagement de pièces sur une installation, plusieurs étapes sont nécessaires. Il faut dans un premier temps analyser de façon approfondie la structure du système, afin d'optimiser le nombre et le positionnement des capteurs requis. Cette phase requiert des connaissances techniques et théoriques très spécifiques, et n'est pour l'instant réalisable que par un laboratoire de recherche spécialisé dans ce domaine.

Ensuite, les capteurs adaptés aux pièces à surveiller (capteurs de température, de courant, de vibrations, de son, etc...) doivent être montés sur l'installation et reliés à un système informatique de supervision, système adapté aux caractéristiques de chaque capteur présent sur le réseau ainsi formé. Le résultat de ces actions est spécifique au système étudié, et tout doit être repris de zéro lorsque l'on passe à un autre système. Ceci explique le coût relativement élevé d'une mise en oeuvre de la technologie de surveillance et de caractérisation de l'endommagement de pièces.

Les démarches décrites précédemment restent valables quelles que soient les techniques utilisées, qu'elles soient à base de redondance matérielle ou de redondance analytique. Le choix entre ces deux techniques se fait grâce à une analyse préalable du système. Il est également possible de conjuguer les deux techniques, c'est à dire de surveiller très attentivement certaines pièces vitales de l'installation par redondance matérielle tout en surveillant les autres pièces et la globalité de l'installation par redondance analytique.

Objectifs de la technologie

Contexte concurrentiel et économique

Actuellement, la technologie de surveillance et de caractérisation de l'endommagement de pièces est utilisée majoritairement dans des secteurs industriels où la sécurité prime sur les coûts, tels que les centrales énergétiques, l'avionique, l'industrie nucléaire, l'aérospatiale, etc...

En effet, les informations relatives à l'état des éléments surveillés issues de la mise en oeuvre de cette technologie de surveillance et de caractérisation de l'endommagement doivent être traitées par un système de supervision. Ce dernier est généralement un système informatique dédié destiné à représenter de façon aisément perceptible par un opérateur humain les causes d'un problème apparaissant sur une pièce ou un ensemble de pièces, l'urgence de la situation, ses évolutions possibles et les diverses façons d'y remédier.

La mise en place d'un tel système nécessitait jusque là un investissement lourd. Néanmoins, l'émergence de nouvelles techniques de surveillance et de caractérisation de l'endommagement ainsi que de supervision, moins onéreuses et moins contraignantes que celles existantes actuellement, devrait permettre à terme la diffusion de cette technologie vers des applications industrielles de plus en plus variées. Ainsi, le parc industriel des PME-PMI représentant un marché potentiel très important pourra s'ouvrir à ces méthodes.

Fonction remplies

Toutes fonctions de surveillance des éléments constitutifs d'un système, de description de l'évolution de leur vieillissement, de surveillance de leur taux d'endommagement et de synthèse de ces différentes informations. Permet entre autres la prévention de pannes subites ; la maintenance d'une installation n'est donc plus faite de façon curative, c'est à dire après apparition d'une panne, mais de façon préventive.

Environnement technologique

Evolutions technologiques :

Les orientations technologiques sont essentiellement axées vers la mise au point d'algorithmes destinés à rendre la redondance analytique aussi fiable que la redondance matérielle. A plus long terme, le but est de pouvoir continuer à faire fonctionner correctement un système industriel affecté d'une ou plusieurs pannes non critiques jusqu'à ce que la maintenance ou le remplacement des pièces incriminées puissent être effectués. Ceci apporte un gain de productivité non négligeable ainsi qu'une sécurité accrue dans un grand nombre de secteurs industriels. Les évolutions futures visent également la mise au point de capteurs plus génériques et plus précis que ceux existant actuellement, afin de faciliter leur implantation et leur gestion.

Programmes de recherche :

De nombreux programmes de recherche sont en cours dans ce domaine et portent essentiellement sur les points suivants :

• amélioration de la fiabilité des algorithmes d'analyse et de décision utilisés par les systèmes de supervision, principalement pour des données issues de techniques de redondance analytique.
• recherche de nouveaux indicateurs de l'endommagement d'une pièce. (Vibrations acoustiques, Vibrations mécaniques, Déformations, Rayonnement thermique, etc...)
• utilisation de nouvelles technologies informatiques d'aide à la décision : logique floue, réseaux de neurones, réseaux neuro-flous. Ces technologies sont utilisées pour la résolution de cas incertains, lorsque l'existence d'une panne est probable mais pas certaine. Au lieu de générer une décision binaire du type " Pièce N 1 dégradée / Pièce N 1 opérationnelle ", on génère une information du type " Pièce N 1 est à 63% de son état optimal. ".
• reconfiguration en temps réel des paramètres d'un système de supervision, dans le but de permettre le maintien du fonctionnement d'une installation malgré la présence d'une ou plusieurs pannes mineures.
• recherche sur les évolutions possibles des capteurs actuels vers des capteurs sans fil ou des capteurs dits " intelligents ", destinés à fiabiliser et à faciliter l'installation d'un réseau de capteurs.

Un programme de recherche EUREKA concernant ce domaine est en voie d'aboutissement, le projet MAINE-DIALOGS. Il consiste en la mise au point d'un système générique de supervision pouvant se greffer sur n'importe quel type de système, évitant ainsi le coût de développement d'un système de supervision dédié à chaque nouvelle installation. Les partenaires industriels et universitaires impliqués dans ce projet sont les suivants : F.M.A., Siemens, Macq Electronique, A.E.A. Technology, l'Université Libre de Bruxelles, le C.N.R.S. (C.R.A.N., Université de Nancy) et l'Université de Duisburg.