Ingénierie système - fiche bilan PCSI -

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1 - fiche bilan PCSI - Objectifs du cours : Après avoir étudié l ensemble de la séquence cours-td-tp de première année, vous devez être capable de : Situer le système industriel dans son domaine d activité et donner ses caractéristiques générales, Identifier les matières d oeuvre entrante et sortante, Préciser les caractéristiques de la valeur ajoutée par le système, Définir la nature des énergies ou informations d entrée et sortie, Décrire le fonctionnement pour présenter un système (vocabulaire adéquat, outils de la communication technique), Relever les performances et les comparer aux caractéristiques du CdCF, Identifier et caractériser les éléments de structure : actionneurs et pré-actionneurs, capteurs, transmetteurs, Identifier une commande programmable et ses interfaces, Analyser tout ou partie d un système selon un point de vue donné (structurel ou fonctionnel), Compléter une description fonctionnelle ou un diagramme SysML Analyser ou interpréter un diagramme SysML Table des matières 1 Introduction à la conception de système Cycle de vie et (éco-)conception d un produit industriel L ingénierie système & nécessité de modélisation Caractéristiques globales d un système 4 3 Outils et démarches d analyse d un système Quelques mots sur le langage SysML Description fonctionnelle Diagramme des exigences (Req SysML Requirement Diagram) Diagramme de cas d utilisation (UC SysML Use case Diagram) Diagramme de contexte Description structurelle Diagramme de définition de blocs (BDD SysML Block Definition Diagram) Diagramme de blocs internes (IBD SysML Internal Block Diagram) Diagramme paramétrique (PAR SysML Parametric Diagram) Architecture d un système automatisé Description comportementale Le diagramme de séquences (SD SysML Sequence Diagram) Le diagramme d états / transitions (STM SysML State Machine Diagram) Le diagramme d activité (ACT SysML Activity Diagram) Schéma blocs

2 1 Introduction à la conception de système 1.1 Cycle de vie et (éco-)conception d un produit industriel Le cycle de vie d un produit La notion de cycle de vie (figure 1) est indissociable d un système. Elle exprime les différentes étapes qui vont de l analyse du besoin jusqu à l élimination et/ou le recyclage de ses constituants. FIGURE 1 Les différentes étapes du cycle de vie d un produit. Le marché d un produit FIGURE 2 Schématisation des différents acteurs du marché. Afin de satisfaire le besoin exprimé ou implicite des clients, dans un contexte économique de forte concurrence, des entreprises mettent sur le marché des produits d une qualité maximale à moindre coût, afin de dégager le plus grand bénéfice. Les stratégies des entreprises sont articulées autour de 3 notions clés : Qualité, Coût, Délais. De nos jours, l essentiel des efforts porte sur la nécessité de minimiser et tenir les délais. Besoin : nécessité ou désir éprouvé par l utilisateur (l acheteur) potentiel. Il concerne la nature de ces attentes et non le volume du marché. Il peut être exprimé ou implicite (besoin non exprimé actuel ou futur). Produit : ce qui est ou sera fourni à un utilisateur pour répondre à un besoin. Un produit est un compromis entre le besoin du client et les contraintes industrielles. 2

3 La conception d un produit Le but d une conception de produit est de passer du rêve du client au produit final (voir figures 1 et 3). Actuellement, l accent est (ou devrait être...) mis sur la minimisation de l impact environnemental à chaque étape du cycle de vie. Il s agit pour cela d optimiser la consommation d énergies et de matières premières tout au long du cycle de vie, minimiser les émissions (gaz, molécules,...) qui peuvent être nocives pour l Homme ou notre environnement, et améliorer la recyclabilité du produit. Dans l industrie, à chaque phase de conception, des outils sont utilisés pour : Formaliser ce que souhaite le client dans un cahier des charges, Décrire le système en cours de réalisation et/ou ceux des concurrents, Valider et optimiser au fur et à mesure la solution produite par rapport au cahier des charges. La recherche de la solution se fait de manière itérative car les systèmes sont complexes. L objectif est d évaluer, puis de minimiser l écart entre la solution produite et l attente du client (voir Figure 3), pour minimiser les défaillances potentielles et générer la satisfaction du client utilisateur. FIGURE 3 Schématisation d une recherche de solution répondant à un besoin exprimé. 1.2 L ingénierie système & nécessité de modélisation L Ingénierie Système (IS, ou ingénierie de systèmes) est une démarche méthodologique coopérative et interdisciplinaire qui englobe l ensemble des activités adéquates pour concevoir, faire évoluer et vérifier un système apportant une solution économique et performante aux besoins des parties prenantes et acceptable par tous. Les métiers mis en oeuvre en IS ont, de tous temps, utilisé des modèles allant de représentations des plus concrètes, tels que les plans ou modèles réduits, aux plus abstraites, telles que les systèmes d équations. En effet, il est nécessaire de s appuyer sur des représentations, tant du problème que de ses solutions possibles, à différents niveaux d abstraction pour appréhender, conceptualiser, 3

4 concevoir, estimer, simuler, prouver formellement, valider, justifier des choix, communiquer. C est le rôle de la modélisation. Aujourd hui, de par la complexité croissante des systèmes et de par leur aspect pluritechnologique, le formalisme SysML permet à des acteurs de corps de métiers différents de collaborer autour d un modèle commun dans le processus d IS. 2 Caractéristiques globales d un système Pour caractériser un système complexe, d un point de vue global (en le considérant comme une boîte noire) il faut préalablement définir ses principales caractéristiques : Contexte (préciser le besoin auquel il répond) Frontière (préciser les éléments du milieu extérieur) Matière d œuvre et Valeur ajoutée Critères de performance 3 Outils et démarches d analyse d un système Les systèmes industriels étant par nature complexes, un certain nombre d outils graphiques permettent de donner une représentation simplifiée du système selon un point de vue particulier. Les différentes représentations seront adaptées à différentes analyses du système. Quatre points de vues seront développés dans ce paragraphe : les descriptions fonctionnelles des systèmes, les descriptions structurelles des systèmes, les descriptions comportementales des systèmes, les descriptions techniques des systèmes. Le choix de l outil de représentation dépend de l usage que l on souhaite en faire : Dans le cadre de la conception d un produit, des approches fonctionnelles seront privilégiées, la structure n étant pas connue. Ensuite, dans des étapes d optimisation et d analyse, des approches structurelles et comportementales sont nécessaires. Lors de la conception d un produit, ces descriptions sont regroupées dans le Cahier des Charges Fonctionnel. Cela permet de préciser les performances attendues associées aux fonctions à satisfaire par le système. Illustration : nous nous attacherons à illustrer les outils de descriptions détaillés sur un système du quotidien, la balance pour aliments Terraillon Halo (voir figure 4) permettant la pesée d articles jusqu à 3 kg au gramme près. 3.1 Quelques mots sur le langage SysML Comme présenté en partie 1.2, nous utiliserons le langage de modélisation SysML 1, par l intermédiaire de ses différents diagrammes, pour décrire et modéliser les systèmes. SysML (pour «System Modeling Language») est un langage de modélisation graphique dérivé d UML (utilisé en informatique essentiellement). Comme UML, SysML n est pas une méthode mais un outil de description et de modélisation d un système. Sa première version finalisée établie par l OMG («Object Management Group») date d avril 2007, résultat d un 1. OMG, "SysML Specification v 1.3", juin 2012, 4

5 FIGURE 4 Balance culinaire Terraillon Halo. groupe de travail lancé en 2001 par l INCOSE (groupe de travail sur la modélisation des systèmes pilotés par les modèles) afin d adapter UML à l IS. SysML étant un langage de modélisation graphique, chaque élément de description du système se fait au moyen de diagrammes (figure 5). FIGURE 5 Présentation générale des diagrammes SysML. 3.2 Description fonctionnelle Diagramme des exigences (Req SysML Requirement Diagram) Ce diagramme (voir figure 6) modélise les exigences devant être vérifiées par le système en liant les solutions mises en oeuvre sur le système avec les besoins définis dans le cahier des charges. Il traduit, par des fonctionnalités ou des contraintes, ce qui doit être satisfait par le système. Il est possible d effectuer divers regroupements d exigences, comme celles fonctionnelles, environnementales, marketting, design, technique, économique,... 5

6 FIGURE 6 Diagramme des exigences de pesée de la balance Halo. Il est alors préférable de réaliser plusieurs diagrammes si nécessaire pour ne pas alourdir la présentation : par exemple, un diagramme pour les exigences techniques, puis les autres groupes d exigences sur d autres diagrammes. Afin de présenter plus lisiblement les critères et niveaux associés à chaque exigence, il est possible de les détailler dans un tableau. Illustration : on propose en figure 6 un diagramme des exigences de pesée de la balance Halo. On trouvera en Annexe un diagramme des exigences marketing Diagramme de cas d utilisation (UC SysML Use case Diagram) Le diagramme de cas d utilisation (voir figure 7) montre les fonctionnalités offertes par le système en répondant à la question : "quels services rend le système?". Il est centré sur les interacteurs (humains ou autres systèmes) qui attendent un service de l utilisation du système et doit être indépendant des technologies employées. Concrètement, un cas d utilisation... : 6

7 FIGURE 7 Diagramme de cas d utilisation de la balance Halo. débute à la suite d un élément déclencheur, suit un déroulement, se termine en rendant service aux interacteurs. Il est nécessaire de verbaliser les cas d utilisation avec simplicité (verbe à l infinitifs + complément(s)). Plusieurs cas d utilisation peuvent être possibles pour un même système. Illustration : on propose en figures 7 et 8 des diagrammes de cas d utilisation plus ou moins détaillés de la balance Halo Diagramme de contexte Le diagramme de contexte (voir figure 9) permet de définir les frontières de l étude, et en particulier de préciser la phase du cycle de vie dans laquelle on situe l étude (généralement la phase d utilisation). Il répond à la question : "quels sont les acteurs et éléments environnants au système?" C est normalement le diagramme préalable à tout autre car il permet d exprimer l environnement du système dans une situation donnée, dans une phase donnée. Il permet ainsi de manière graphique de faire émerger l expression du besoin et certaines contraintes, qui se retrouveront dans le diagramme d exigences. Ce diagramme est non normalisé, et l on utilise le plus souvent un diagramme de définition de blocs. Illustration : on propose en figure 9 un diagramme de contexte de la balance Halo en phase d utilisation. On trouvera en Annexe un diagramme de contexte étendu. 7

8 FIGURE 8 Diagramme de cas d utilisation plus détaillé de la balance Halo. FIGURE 9 Diagramme de contexte en phase d utilisation de la balance Halo. 8

9 FIGURE 10 Diagramme de définition de blocs de la balance Halo. 3.3 Description structurelle Diagramme de définition de blocs (BDD SysML Block Definition Diagram) Le diagramme de définition de blocs modélise l architecture structurelle (composé, composant) du système en répondant à la question "qui contient quoi?". Il permet de visualiser en un clin d oeil la structure du système en représentant les liens entre les blocs de même niveau par une association (simple trait entre 2 blocs), ou de niveau différent par une composition (trait comportant un losange du côté du contenant). Il peut aussi montrer les caractéristiques principales de chaque bloc en faisant apparaitre les opérations et les propriétés. Illustration : on propose en figure 10 un diagramme de définition de blocs de la balance Halo Diagramme de blocs internes (IBD SysML Internal Block Diagram) Le diagramme de blocs internes représente la manière dont interagissent les blocs, par leurs connections et leurs flux d échanges : matière, énergie, information. Il introduit la notion fondamentale de port qui correspond à un point d interaction avec l extérieur du bloc. On distingue principalement 2 types de ports : un port standard (carré simple) correspond à une interface d entrée ou sortie de commande, contrôle, réglage... un port de flux (carré avec flèche) correspond à un élément par lequel transite de la matière, de l énergie ou de l information. Les connecteurs (traits) entre les ports indiquent soit les associations soit les flux de matière, d énergie et d information entre les différents blocs. Un diagramme de blocs internes représente l intérieur d un bloc issu du diagramme de blocs, voire le système complet. 9

10 FIGURE 11 Diagramme de blocs internes de la balance Halo. Illustration : on propose en figure 11 un diagramme de blocs internes de la balance Halo, avec alimentation par pile Diagramme paramétrique (PAR SysML Parametric Diagram) Le diagramme paramétrique est utilisé pour exprimer les contraintes physiques entre les blocs avec des équations et des paramètres qui permettent de simuler le fonctionnement du système. Il peut ensuite être utilisé pour faire des simulations qui vérifieront si le système répond ou non aux spécifications. On propose en figure 12 un diagramme paramétrique d un système de freinage ABS permettant de relier force et distance de freinage Architecture d un système automatisé Un système automatisé est constitué de (figure 13) : la partie opérative (PO), qui agit directement sur la matière d œuvre pour lui apporter la valeur ajoutée. la partie commande (PC), qui assure la coordination des tâches nécessaires pour effectuer le processus souhaité (modèle construit), le pilotage (ordres envoyés) de la PO et l échange d informations vers l utilisateur ou d autres systèmes automatisés. 10

11 FIGURE 12 Exemple de diagramme paramétrique (source : tutoriel de l OMG). Partie Commande Chaîne d'action Chaîne d'acquisition Partie Opérative Matière d'oeuvre entrante Matière d'oeuvre sortante FIGURE 13 Décomposition en partie commande et partie opérative. Représentation sous forme de chaîne fonctionnelle (figures 14 et 15) Chaîne d acquisition (ou de retour) ; Unité de traitement des informations (ou PC) ; Chaîne d action. On retrouve généralement différents types de composants : l effecteur ; l adapteur ; l actionneur ; le préactionneur) ; les capteurs. 11

12 FIGURE 14 Vue détaillée de la structure d un système automatisé (en boucle fermée). FIGURE 15 Système automatisé en boucle ouverte. Représentation sous forme de chaîne d information et chaîne d énergie (figure 16) FIGURE 16 Représentation formelle d un système sous forme de chaîne d information et chaîne d énergie. 12

13 3.4 Description comportementale Le diagramme de séquences (SD SysML Sequence Diagram) FIGURE 17 Diagramme de séquences de la balance Halo correspondant au scénario «peser un aliment de masse quelconque». Le diagramme de séquences (voir figure 17) permet de décrire le(s) scénario(s) d un cas d utilisation. Il répond à la question : "Comment est réalisé ce cas d utilisation?". Il représente les différentes interactions du système (ou de sous-systèmes le cas échéant) avec les différents acteurs (ou système ou sous-systèmes) au moyen de messages, dans le contexte d un scénario donné. Il ne montre donc que l enchaînement séquentiel des différentes interactions. Dans une démarche de conception, il permet de distinguer les différents éléments structurels à travers les échanges de manière granulaire : à partir d un niveau de type «boîte noire», les interactions entre le système et les acteurs permettent de faire apparaitre les interfaces d échanges (interface homme/machine IHM, capteurs, actionneurs) pour finalement en déduire leurs liens avec l organe de contrôle central (automate programmable ou microprocesseur de la partie commande). 13

14 Remarque : Comme dans tout diagramme SysML, le niveau de détail est laissé au choix, et peut être réduit dans un premier temps, pour être détaillé plus précisément ultérieurement. Illustration : on propose en figure 17 un diagramme de séquences de la balance Halo correspondant au scénario «peser un aliment de masse quelconque» Le diagramme d états / transitions (STM SysML State Machine Diagram) FIGURE 18 Diagramme d états de la balance Halo correspondant à une séquence de pesée. Le diagramme d états/transitions (figure 18) permet de décrire les différents états pris 14

15 par un bloc (le système, un sous-système ou un composant) en fonction des événements qui lui arrivent. Un état représente une situation d une durée finie durant laquelle un système exécute une activité (une ou plusieurs actions), satisfait à une certaine condition ou bien est en attente d un événement. Le passage d un état à un autre se fait en franchissant une transition. Il est possible de rajouter des événements internes afin de montrer la réponse à un événement sans changer d état. Les événements entry, do et exit indiquent ce qu il se passe à l entrée dans l état (mot clé entry), pendant l état (do) et à la sortie de l état (exit). Les variables d entrée/sortie intervenant sont celles définies dans le diagramme de blocs internes. Un tel diagramme permet l implémentation logicielle générant les différents diagrammes de séquence. Il nous servira essentiellement à décrire le fonctionnement d un programme. Remarque : étant postérieur aux diagrammes de séquences et de blocs internes, il est naturellement rédigé en dernier. Illustration : on propose en figure 18 un diagramme d états de la balance Halo correspondant à une séquence de pesée Le diagramme d activité (ACT SysML Activity Diagram) Le diagramme d activité décrit l enchaînement des actions pour une activité du système. Il permet de représenter le déroulement d un processus sous la forme d une activité correspondant à une décomposition séquentielle d actions, appelées tâches. Il est par exemple fort utile pour détailler ce qu il se passe dans un état d un diagramme d états. Dans sa forme la plus restreinte, ce diagramme représente un algorigramme, c est-à-dire un flux de contrôle (ce flux n a rien à voir avec ceux présents dans le diagramme de blocs internes : il ne faut donc pas les confondre). Contrairement au diagramme d états, il n existe aucun évènement associé aux transitions entre actions (la fin d une action implique automatiquement le passage à la suivante), il n est pas rattaché à un seul bloc de l ibd Schéma blocs Bloc Lien Sommateur FIGURE 19 Description du système par un schéma bloc. 15

16 ANNEXE : associations et relations dans les diagramme SysML. FIGURE 20 Détail des différents types d associations dans les diagrammes SysML. FIGURE 21 Détail des différents types de relations dans les diagrammes SysML. 16

17 ANNEXE : différents types de composants intervenant dans les parties opératives. 17