Page 1 Modélisation graphique des processus : application aux systèmes de production

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1 Page 1 Modélisation graphique des processus : application aux systèmes de production

2 Du processus aux procédures et jusqu aux gestes Exemple d un voyage en avion (d après Henry et Monkam-Daverat, 1998) Page 2 Processus : activité de production ou de gestion déterminée, impliquant le déroulement d un ensemble d actions visant à remplir une finalité globale Procédure : enchaînement de tâches élémentaires standardisées, déclenchées en amont par l expression d un besoin quelconque et limitées en aval par l obtention d un résultat attendu Mission Processus Procédures Tâches Gestes Préparation Voyage en avion Départ Mise en route Roulage au sol Point fixe Envol Lecture check list Vérification commandes Essai moteurs Réglage instruments Autorisation de la tour x y z Traversée Approche Arrivée

3 Page 3 Modèles de connaissance Quelques exemples de modèles disponibles Représentation du réel Modèle comportemental (ou modèle boîte noire) Définit le comportement d un système, souvent sous la forme d une équation liant entrées / sorties «comment cela se comporte?»? Modèle Structurel Définit les composants d un système et leurs relations de composition «comment ça marche?» Modèle fonctionnel Définit les différentes fonctions d un système à partir de ses fonctions génériques «à quoi ça sert?» X a b Y c

4 Modélisation systémique : ex. du traitement du paludisme (Franco et al., 1997) Page 4 Intrants Processus Extrants Résultats Systèmes d appui Intrants Processus Extrants Effets Impacts Systèmes de logistique Médicaments Autres systèmes Systèmes de financement Patients traités pour paludisme Diminution décès paludisme Systèmes de supervision Systèmes de formation Agents expérimentés Anamnèse Examen clinique Diagnostic Traitement Conseils Baisse mortalité Systèmes d IEC Patients malades Patients conseillés pour paludisme Meilleurs connaissances et pratiques Culture,situation socio éco., etc. Autres systèmes

5 Page 5 Actigramme SADT ou IDEF0 (1/3) (SADT : Structured Analysis and Design Technique IDF : Integrated Definition Language) Diagramme permettant de modéliser un système par une analyse fonctionnelle descendante, modulaire et hiérarchisée Module : décomposition unitaire des activités fonctionnelles du système (Évènements déclenchant l activité décrite ou influant fortement son comportement ) «Contrôles» (Éléments consommés par l activité décrite pour fournir les sorties) Entrées MODULE Sorties (Résultats de l activité décrite) Flux matériels ou d information «Mécanismes» ou supports physiques (Éléments physiques individus, organismes, machines - mis en œuvre pour réaliser l activité décrite) Comment? Qui?

6 Actigramme SADT (2/3) Exemple d application : formation de stagiaires (d après Cazaubon et al., 1997) Page 6 Demande de formation Moyens pédagogiques existants Préparer la formation Besoins complémentaires de formation Méthodes pédagogiques Planning des cours Programme de formation Méthodes d évaluation Besoins de compléments d information Besoins de compléments Stagiaires à former Supports pédagogiques Enseigner la méthode Besoins d évaluation Stagiaires en formation Évaluer les connaissances acquises Stagiaires formés

7 Actigramme SADT (3/3) Exemple d application : prévention de risques par la méthode MOSAR (d après J-L Ermine., 2002) Réglementation (règles et règlements) Page 7 - Description de l installation (modélisation) - Environnement actif A1 Identifier les risques de proximité MOSAR Accidents possibles (scénario enveloppe) A2 Évaluer les risques Conséquences Outils de calcul A3 Négocier les objectifs Risques classés (acceptables / inacceptables) Grille proba * gravité A4 Définir les moyens de prévention - risques maîtrisés - risques résiduels Moyens de prévention : contrôle, protection, choix des cibles

8 Page 8 Formalisme Grafcet (Graphe de Commande Étape/Transition) Diagramme fonctionnel utilisé pour la description des systèmes logiques de commande (étape initiale) 1 (étape n) n action associée à l étape n (Transition : condition obligatoire à remplir pour passer à l étape suivante) (x) (étape n+1) n+1 action associée à l étape n+1

9 Page 9 Process and plant design : activités traditionnelles d ingénierie mobilisées (d après Maroulis et Saravacos, 2003) Chemical engineering physical and engineering properties of materials process flowsheets material and energy balances equipement sizing plant utilities Mechanical engineering detailed engineering design of process and utility equipement piping and material transport equipement heating / air conditioning of industrial bulidings Electrical engineering electrical power industrial lighting process control plant automation Industrial engineering efficient plant operation better utilization of material and labor ressources time-motion studies application of occupationnal and public health regulations

10 Page 10 Process and plant design : différentes phases de conception / construction d une unité industrielle (d après Maroulis et Saravacos, 2003) 1. Feasibility study Process design Plant design 2. Engineering design Process equipment Plant utilities 3. Plant construction Civil engineering works Installation of equipment Plant start-up 1. Selection of the proper flowsheet to realize the required production 2. Material and energy balances process requirement of the plant 3. Sizing and rating of the required industrial process equipement 4. Cost estimation 5. Financial and profitability analysis 6. Parametric optimization 7. Structural optimization of process 1. Detailed engineering and construction of process 2. Equipment 3. Utilities 4. Buildings 5. Storage facilities 6. Waste treatment

11 Page 11 Process and plant design : différents types de diagrammes utilisés PBD : process block diagrams (schémas bloc) 1 bloc = 1 opération unitaire ou groupe d opérations unitaires PFD : process flow diagrams (schémas de circulation des fluides) représentation détaillée et symbolique des équipements, tuyauteries et utilités PLD : process layout diagrams (schémas d implantation globale) positionnement des équipements de procédé dans l usine/atelier de fabrication PCD : process control diagrams (schémas de contrôle/commande) positionnement des organes de régulation et leurs liens avec les capteurs PID : process instrumentation and piping diagrams (schémas tuyauteries et instrumentation) type et localisation de l instrumentation, type et connections des tuyauteries

12 Page 12 Différents types de schémas et phasage en industries de process (d après M. Auroy, Techniques de l Ingénieur) Voie d accès au produit Développement procédé Conception unité Réalisation Exploitation 1. Schéma bloc ou schéma fonctionnel (PBD) 2. Schéma procédés (PFD) 3. Schéma d implantation (PLD) 4. Schéma tuyauterie et instrumentation (PID) 5. Fiches de spécification données procédé données construction Acquisition/transfert de données de base Elaboration Mise à jour

13 Page 13 Le diagramme de fabrication par schéma blocs (eng. : PBD Process Block Diagram) Description des étapes chimiques et physiques du procédé et des flux matière, en allant des matières premières aux produits finis 1 bloc = 1 fonction à réaliser (1 opération unitaire ou un groupe d opérations unitaires liaisons entre bloc (traits + flèche) = flux de matière Organisation séquentielle et modulaire de la production, où sont clairement identifiés : les produits matières premières et produits auxiliaires produits intermédiaires produits finis, sous-produits, déchets, effluents (rejets) les interventions sur ces produits (et non les technologies) réception, opérations unitaires, conditionnement, stockage, expédition les flux (continus, discontinus) flux de matière flux d énergie flux d informations

14 Page 14 Le schéma bloc Produits auxiliaires énergie Matières premières Opération unitaire Produits utilisables traitement de l information Rejets énergie dégradée

15 PBD : exemple pour le concentré de jus d orange (Saravacos et Marouli)s et, 2011)

16 PBD : exemple pour le concentré de tomate application aux bilans de matière et de chaleur (Maroulis et Saravacos, 2003) Bilan matière Page 16 Bilan chaleur

17 Schéma bloc : décomposition fonctionnelle et transitions Page 17 Diagramme de niveau 0 Diagramme de niveau 1 Diagramme de niveau 2 Diagramme de niveau 3 m n n 1 n 2,1 l n n 2 n 2,2 o p n y n 2,z Fonction d ordre 0 : regroupement fonctionnel de fonctions d ordre 1 présentant un certain niveau d analogie de structure et/ou de mission (ex: logique d atelier) Fonction d ordre 1 : macro-fonction élémentaire provoquant une transformation majeure, reconnue sans équivoque comme telle, de l état physique, chimique et/ou biologique d un produit (composition, structure, expression sensorielle) ; une fonction d ordre 1 peut se décomposer en une seule ou plusieurs fonctions d ordre 2 Fonction d ordre 2 : sous-fonction élémentaire obtenue par décomposition fonctionnelle d une fonction d ordre 1 ; cette décomposition doit générer un ensemble de sous-fonctions nécessaires et suffisantes à la réalisation des objectifs assignés à la fonction initiale Fonction d ordre 3 : opération élémentaire obtenue par décomposition technologique d une fonction d ordre 2 ; l enchaînement des opérations liées à une fonction d ordre 2 permet de mettre en œuvre cette fonction dans un contexte donné et selon un mode opératoire défini ; selon le contexte et le mode opératoire retenus, il existe plusieurs possibilités de décomposition technologique d une même fonction d ordre 2

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20 Page 20 Exemple : caillage en cuve d un fromage Lait Chauffer Ferments lactiques jusqu à T= θ C Incorporer quantité : v1 ml ou p1 mg Présure Mélanger Laisser reposer Incorporer Mélanger Laisser reposer Diviser Laisser reposer Fragmenter Séparer Caillé frais pendant t1 min. pendant t2 min. (ou jusqu à ph = x) quantité : v2 ml ou p2 mg pendant t3 min. pendant t4 min. (ou jusqu à viscoélasticité = y) en rectangles = L1 x l1 mm pendant t5 min. jusqu à taille de grains = L2 x l2 mm lactosérum

21 Page 21 Niveau 0 : des processus de réalisation aux processus de transformation Matières premières Fabrication Produit fini Sous-produits Déchets Matières premières Réception Préparation Transformation Conditionnement Expédition Produit fini Sous-produits Déchets C L I E N T S Applications industrielles Méthodes Ordonnancement Planification Gestion des flux Approvisionnement Réception Stockage Fabrication Libération produits Conditionnement Stockage Mise à disposition Expédition C L I E N T S

22 Page 22 Schéma procédé ou plan de circulation des fluides (engl. : PFD - Process Flow Diagram, process flowsheet) Représentation sous forme symbolique : des équipements du procédé (repris dans une liste annexe, avec les données de pré dimensionnement) des liaisons entre équipements = flux mis en œuvre des utilités mises en œuvre (des boucles de contrôle et des analyseurs ; cf. PCD)

23 Page 23 PFD : exemple pour le concentré de tomate (Marouli)s et Saravacos, 2003)

24 Page 24 PFD : exemple pour le concentré de jus d orange (Saravacos et Marouli)s et, 2011)

25 Page 25 Schémas d implantation (engl. : PLD - Process Layout Diagram) plans de masse succinct (= projection au sol) schémas altimétriques des équipements et de leurs positions respectives (= coupe verticale) plans 3D (combinaisons projection au sol + coupe verticale)

26 Page 26 PLD en élévation : exemple pour le concentré de tomate (Saravacos, Harvey et Kostaropoulos, 2003) 1. Water Basin 2. Preselection and Loading 3. Washing 4. Sorting 5. Crushing/Pulping 6. Heating 7. Heating 8. Finishing 9. Juice Tank 10. Evaporator 11. Barometric Condenser 12. Vacuum Pump 13. Concentrate Tank 14. Sterilization 15. Aseptic Packaging 16. Aseptic Storage

27 Page 27 PLD par projection au sol : exemple pour le concentré de tomate (Saravacos, Harvey et Kostaropoulos, 2003) 1. Water Basin 2. Preselection and loading 3. Washing 4. Sorting 5. Crushing/Pulping 6. Heating 7. Heating 8. Finishing 9. Juice Tank 10. Evaporator 11. Barometric Condenser 12. Vacuum Pump 13. Concentrate Tank 14. Sterilization 15. Aseptic Packaging 16. Aseptic Storage

28 Page 28 PLD en 3D : exemple pour le concentré de tomate (Saravacos, Harvey et Kostaropoulos, 2003) 9. Juice Tank 10. Evaporator 11. Barometric Condenser 12. Vacuum Pump 13. Concentrate Tank 14. Sterilization 15. Aseptic Packaging 16. Aseptic Storage 1. Water Basin 2. Preselection and Loading 3. Washing 4. Sorting 5. Crushing/Pulping 6. Heating 7. Heating 8. Finishing

29 Page 29 Schéma canalisation et instrumentation ou schéma de construction (engl. : PID - Pipe and Instrumentation Diagram ou mechanical flowsheet) Description graphique, sous forme symbolique, de l unité de production : appareils et équipements tuyauterie / robinetterie instrumentation

30 PID : exemple d un procédé de fermentation et de son instrumentation associée Régulation de l acidité du milieu avec mesure, affichage et enregistrement du ph Substrat phi phr Régulation du débit de substrat Acide ou base phc pht FRC FT Flux de produits Fonction d instrumentation (mesure, affichage, régulation) Liaison électrique O 2 T CO 2 T TIC TT XT O 2 R CO 2 I Fluide caloporteur Régulation de la température du milieu par circulation d un caloporteur dans la jaquette XRI Métabolites Page 30 Mesure et enregistrement de la teneur en O 2 Mesure et affichage de la teneur en CO 2 Mesure, enregistrement et affichage d un paramètre X du débit de métabolites

31 PBD : exemple pour les oranges (Saravacos, Harvey et Kostaropoulos, 2003) Page 31

32 PFD : exemple pour les oranges (Saravacos, Harvey et Kostaropoulos, 2003) Oranges Page 32 washing Culls grading sizing Oranges OJ : orange juice COJ : concentrated orange juice FCOJ : freezed concentrated orange juice Essence OJ extraction separation Pomace essence recovery evaporation OJ OJ finishing Pulp extraction COJ Feed drying Pomace mixing Peel oil COJ OJ OJ Aseptic OJ COJ pasteurizing mixing debittering COJ aseptic HTST packaging sterilization freezing bulk packing Bulk packed FCOJ canning freezing Canned FCOJ

33 Différents modes de fonctionnement d un système de production et savoir-faire correspondants (d après Carrigou et Garbadelle, 2002) Page 33 Mode de fonctionnement nominal Variabilités industrielles Variabilité des matières premières, des produits fabriqués, des procédés Sensibilité à des variations de l environnement extérieur, surtout si agressif Phénomènes d usure Mode de fonctionnement transitoire Régulations mises en ouvre par les opérateurs Problèmes de qualité, de taux d engagement Incidents Accidents Mode de fonctionnement dégradé

34 Page 34 Modèle récursif de situations de vie Installation Exploitation Maintenance Démantèlement

35 Page 35 Diagrammes de fabrication Recommandations pour la rédaction de diagrammes sous Microsoft Powerpoint (fichier Word, fichier pdf) Masque de saisie au format Powerpoint Exemple de diagrammes: camembert au lait crû (fichier Powerpoint, fichier pdf)

36 Page 36 Logigramme : symboles Début ou fin Document Données Activité Évènement contrôlé par un processus Activité Évènement intervenant automatiquement Opération manuelle Opération et inspection Stockage Transport Connecteur Décision Délais

37 Page 37 Diagramme de déploiement Organisation du diagramme (de flux ou du logigramme) par colonnes : Chaque colonne représente un département ou une personne impliquée dans le processus

38 Exemple de logigramme de déploiement : réalisation d une revue de processus (d après Cattan et al., 2003) Page 38 Données Activités

39 Exemple de développement d un système d information (CNRS, 2000) Page 39

40 Page 40 Qualigramme cf. : BERGER C. et Guillard S. La rédaction graphique des procédures - Démarche et techniques de description des processus. AFNOR, 2000