Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

L’internet des objets industriels (IIoT) fait partie d’un concept plus large connu sous le nom de L’Internet des Objets, ou IdO (en anglais Internet of Things, ou IoT). Les IIoT apportent de nouvelles opportunités aux sites de production telles que la diminution des coûts des opérations et l’augmentation de la productivité dans le but d’une exploitation optimale. La technologie IIoT révolutionnera les procédés de fabrication industrielle en permettant l’acquisition des quantités importantes de données, à des vitesses beaucoup plus élevées, et bien plus efficaces qu’auparavant. Un certain nombre d’entreprises innovantes ont commencé à mettre en oeuvre l’IIoT en exploitant des appareils connectés intelligents dans leurs usines (c’est ce qu’on appelle les usines intelligentes ou Industrie 4.0). Dans une perspective d’acquisition des données, l’internet des objets a favorisé l’inclusion des sous-systèmes ainsi que leurs analyses en temps réel. Pour ce faire, l’Industrie 4.0 introduit un concept de production numérisée en permettant une intégration souple et agile de nouveaux modèles commerciaux tout en maintenant les coûts de fabrications et l’efficacité à un niveau raisonnable. Dans ce projet de recherche, nous allons étudier la maintenance prédictive des installations industrielles. Cette tâche est essentielle au bon fonctionnement de l’usine et à la sécurité des personnes. Compte tenu des coûts, il est judicieux d’établir un bon équilibre entre entretien préventif systématique et entretien correctif. La surveillance des installations concourt à limiter le niveau d’entretien préventif. Dans ce contexte, l’analyse vibratoire constitue un outil de détection puis de diagnostic de défauts de fonctionnement des installations. Aussi, après avoir décrit les principales manifestations vibratoires des défauts de fonctionnement des machines, nous allons examiner les stratégies de détection et de surveillance dans le domaine temporel et fréquentiel et la démarche de diagnostic en nous appuyant sur l’intelligence artificielle et en analysant les signaux vibratoires permettant de déduire une politique de gestion de la maintenance. Notre objectif principal est de réaliser un système permettant d’assurer l’analyser les signaux vibratoires d’une machine tournante dans le domaine temps/fréquence. Il sera ensuite aisé de le comparer avec un système d’apprentissage automatique capable de détecter et classer les défauts grâce à des algorithmes d’intelligence artificielle. L’application vise à fournir un système de détection de défauts fiable afin de réduire les temps de dépannages et favoriser un diagnostic rapide des pannes des systèmes industriels. Par conséquent, le projet va de la conception jusqu’à la mise en oeuvre des algorithmes informatiques avec des exemples réels de signaux vibratoires. Un processus d’optimisation sera mis en oeuvre lors de la prise des décisions de l’équipe humaine afin d’augmenter l’efficacité des résultats et réduire les situations à risque qui mettront les machines hors d’usage. Ce projet de recherche permettra donc d’introduire un système intelligent dans un environnement de production de l’industrie 4.0. Durant cette étude, nous avons implémenté dans un premier temps des algorithmes qui nous ont permis d’extraire des caractéristiques des signaux d’une machine tournante. Ensuite, nous avons mis en place un système de surveillance de l’état de cette machine en fixant un seuil pour le bon fonctionnement et un autre pour déclencher une alarme quand ce dernier est atteint. Dans un second temps, nous avons utilisé des algorithmes d’apprentissage automatique (ou machine learning) pour classer les différents niveaux de défaillance. Après extraction des caractéristiques des signaux dans le domaine temporel et fréquentiel nous avons obtenu une fiabilité de 99.3% avec la méthode d’estimation dite « validation croisée » (en anglais cross-validation). Ce processus d’apprentissage optimise les paramètres du modèle afin que celui-ci corresponde aux données le mieux possible. Ensuite, nous avons évalué une autre technique de validation « testset validation » (en anglais holdout method). Cette technique est recommandée pour les grands ensembles de données. Après plusieurs tests, nous avons pu obtenir un taux de classification de 100% pour les différents niveaux de défauts considérés.

The internet of industrial objects (IIoT) is part of a larger concept known as the "Internet of Things (IoT)". IoT's bring new opportunities to production sites such as lower operating costs and increased productivity for optimal operation. The application of IoT to the manufacturing industry is called IIoT (or Industrial Internet or Industry 4.0). The IoT will revolutionize manufacturing by enabling the acquisition and accessibility of massive amounts of data at much higher speeds and far more efficiently than before. A few innovative companies have started to implement IoT by exploiting smart connected devices in their factories (so-called smart factories or Industry 4.0). From a data acquisition perspective, the Internet of Things has favoured the inclusion of subsystems and their analysis in real time. To achieve this, Industry 4.0 introduces a digitized production concept by allowing flexible and agile integration of new business models while keeping manufacturing costs and efficiency at a reasonable level. In this thesis, we will study the predictive maintenance for industry 4.0. This method of preventing asset failure by analyzing production data to identify patterns and predict issues before they happen. However, considering the costs, it is wise to strike a better balance between routine preventative maintenance and corrective maintenance. Facility monitoring helps to reduce the level of preventative maintenance. In this context, vibration analysis is a tool for detecting and then diagnosing malfunctions of installations. Also, after describing the main vibratory manifestations of failures of the machines, we will examine the detection and surveillance strategies at the time and frequency domain and the diagnosis process based on artificial intelligence by analyzing the vibratory signals. Our main objective is to design a system that will analyze the vibrating signals of a rotating machine in the time/frequency domain. A machine learning system will be used to detect and classify the defects based on artificial intelligence algorithms. The application aims to provide a reliable fault detection system to reduce repair times and promote rapid diagnosis of industrial operations. Therefore, the project goes from the design to the implementation of new algorithms using vibratory signals. An optimization process will be implemented when the decisions of the adequate staff are made to increase the efficiency of the results and reduce the risk situations that will put the machines out of use. Therefore, this research project will introduce an intelligent system into an industry 4.0 production environment. During this research project, firstly, we will implement algorithms that allowed us to extract characteristics of the vibration signals and set up a system to monitor the state of a rotating machine by setting a threshold of operation and trigger an alarm when this threshold is reached. In a second step, we will use signal processing and machine learning toolkits to classify the different levels of machine failure and use this method to detect the presence of error when the machine is running. After extracting the characteristics of our signals at the time and frequency domain, we will be obtained with the "cross-validation" a recognition rate of 99.3%. The final implementation with the "holdout validation" recommended for large datasets allowed us to have a classification rate of 100% of the different levels of defects considered.