Si vous vous êtes déjà trouvé au milieu d'un atelier de fabrication à 2 heures du matin, regardant les robots tourner, les convoyeurs bourdonner et les moteurs tourner à plein régime même lorsqu'une ligne de production tourne au ralenti, vous savez ceci : la consommation d'énergie d'une usine n'est pas seulement une facture de services publics : c'est un coût caché qui peut engloutir 20 à 30 % du budget de fonctionnement d'une usine, selon l'Energy Information Administration (EIA) des États-Unis. En tant que fournisseur de systèmes d'automatisation industrielle, j'ai passé des années à aider les fabricants à réduire ces déchets sans ralentir la production, et l'essentiel de ce travail réside dans les systèmes d'automatisation des bâtiments qui ne se contentent pas de contrôler les machines : ils les écoutent, s'adaptent à leurs besoins et éliminent le type de consommation d'énergie inutile qui frappe même les usines les mieux gérées. La question n'est pas de savoir si l'automatisation peut optimiser la consommation d'énergie, mais plutôt de savoir comment le faire d'une manière qui s'adapte au rythme unique de chaque usine.
Commençons par le gaspillage le plus important et le plus évitable : surcharger l'équipement alors qu'il n'en a pas besoin. Par exemple, prenons les processus de bobinage, qui sont au cœur de tout, des textiles à la fabrication métallique en passant par l'emballage. Un système d'enroulement standard fonctionnait à une vitesse fixe 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, même lorsque les bobines changeaient ou que les matériaux étaient chargés de manière inégale, gaspillant ainsi de l'énergie en raison d'un couple excessif et d'une friction qui s'accumulent sur une seule opération. C'est là qu'intervient l'automatisation de précision liée aux données de processus en temps réel. Lorsque nous intégrons des systèmes de contrôle intelligents dans un dispositif d'enroulement (/factory-automation-system/winding-device.html), nous le programmons pour ajuster dynamiquement le couple, la vitesse et la tension à mesure que la bobine se remplit ou se vide. Si le système détecte une fine tache dans le matériau en cours d'enroulement, il réduit automatiquement légèrement la tension pour éviter de l'étirer ou de gaspiller de la puissance supplémentaire pour combattre la résistance. L'année dernière, un de mes clients textiles est passé du bobinage à vitesse fixe à ce modèle automatisé et a réduit sa consommation d'énergie liée au bobinage de 28 % en six mois, sans baisse de la qualité du produit.
Mais l'optimisation énergétique de l'automatisation ne s'arrête pas aux machines individuelles : il s'agit de connecter chaque partie de la chaîne de production afin qu'elles fonctionnent de manière synchronisée et non à contre-courant. De nombreuses usines fonctionnent en silos : la ligne de bobinage fonctionne tandis que le convoyeur qui lui livre les matériaux est au ralenti, ou l'alimentateur qui alimente les matières premières à l'étape suivante tourne à pleine vitesse même lorsque la machine en aval est en pause. C'est là que la modification de la ligne de production (/factory-automation-system/production-line-modification.html) utilisant l'automatisation intégrée fait toute la différence. Nous ne nous contentons pas d'échanger les anciennes machines : nous superposons une plate-forme de contrôle centrale qui partage les données entre chaque actif en ligne. Pour un client de production de laine de roche, nous avons modifié sa ligne afin que le chargeur à double vis pour la ligne de production de laine de roche (/factory-automation-system/twin-screw-feeder-for-rock-wool-production.html) ajuste son débit d'alimentation en temps réel en fonction des signaux provenant du capteur de sortie du chargeur et du système de contrôle de qualité de l'étape suivante. Si le four en aval a besoin d'un volume de matière première légèrement inférieur pour un changement de lot, l'alimentateur ralentit instantanément au lieu de fonctionner à vide. Cette petite synchronisation a réduit la consommation totale d'énergie de leur ligne de 22 % et a également réduit le gaspillage de matériaux, ce qui représente un double gain pour leurs résultats financiers.
Un autre domaine souvent négligé est celui des équipements auxiliaires : convoyeurs, dépoussiéreurs, alimentateurs et systèmes de ventilation qui ne sont pas au cœur de la production mais fonctionnent en permanence pour la soutenir. Dans l'industrie de la laine de roche, par exemple, la poussière de laine de roche est un sous-produit du traitement. Les installations dépendent donc de convoyeurs de poussière et de systèmes de collecte qui fonctionnent traditionnellement à pleine vitesse toute la journée, quelle que soit la quantité de poussière réellement générée. C'est pourquoi nous avons conçu et installé des solutions sur mesure comme le convoyeur en spirale de poussière de laine de roche (/factory-automation-system/rock-wool-dust-spiral-conveyor.html) qui se synchronise avec les capteurs de génération de poussière de la ligne de production. Si la ligne fonctionne à moitié de sa capacité lors d'un changement de lot, le convoyeur en spirale ralentit, réduisant ainsi la vitesse du moteur et la consommation d'énergie jusqu'à 40 % lorsque la demande est faible. Nous associons cela à des entraînements à fréquence variable (VFD) qui fonctionnent avec chaque convoyeur, alimentateur et moteur de la ligne, ajustant la puissance en fonction de la charge réelle au lieu d'une vitesse fixe - ce que même les anciens VFD ne peuvent pas faire s'ils ne sont pas intégrés au système de contrôle central de la ligne.
Bien entendu, tous ces outils ne fonctionnent que si vous disposez des données permettant de savoir quand des déchets se produisent, et c'est là que les capteurs intelligents et les analyses prédictives entrent en jeu. Les systèmes d'automatisation industrielle modernes ne sont pas de simples commutateurs : ce sont des collecteurs de données qui suivent la consommation d'énergie, la charge et l'efficacité de chaque machine en temps réel. Par exemple, notre alimentateur à double hélice à haut rendement (/factory-automation-system/high-efficiency-twin-screw-feeding-machine.html) est doté de capteurs intégrés qui mesurent le courant du moteur, le débit de matière et le couple. Si le capteur détecte une pointe de courant de 10 % qui ne correspond pas à un changement du débit d'alimentation, il le signale comme un problème potentiel (comme une alimentation obstruée ou une pièce usée) qui pourrait gaspiller de l'énergie bien avant de provoquer une panne. Un client du secteur de l'agroalimentaire a utilisé ces données pour constater que ses alimentateurs fonctionnaient à 15 pour cent de plus que leur capacité pendant leur quart de nuit, lorsque la demande était plus faible, et a ajusté les paramètres en conséquence, réduisant ainsi leur consommation d'énergie liée aux alimentateurs de 19 pour cent sans aucun impact sur la production du produit.
Ce qui fait que cela fonctionne, ce n'est pas seulement la technologie, c'est la capacité de l'adapter aux besoins spécifiques d'une usine, et non d'appliquer une solution universelle. Une usine de papier aura des points de gaspillage d'énergie différents de ceux d'une usine d'emboutissage de métaux, et les défis d'un producteur de laine de roche sont totalement différents de ceux d'un fabricant pharmaceutique. C'est pourquoi notre approche de l'automatisation commence par un audit énergétique complet de l'usine : nous cartographions la consommation d'énergie de chaque machine, identifions les goulots d'étranglement où se produisent les déchets et concevons un système qui connecte uniquement les actifs importants, plutôt que d'ajouter une complexité inutile. Par exemple, une usine d'emballage de petites pièces avec laquelle j'ai travaillé n'avait pas besoin de remplacer chaque ligne de convoyeur : nous avons simplement intégré un petit système de contrôle qui synchronise les machines d'emballage, les convoyeurs et les alimentateurs de matériaux, réduisant ainsi leur consommation globale d'énergie de 17 % avec un retour sur investissement en moins de 18 mois.
J'ai vu trop d'usines acheter elles-mêmes des machines « économes en énergie », pour finalement constater que ces machines gaspillent encore de l'énergie parce qu'elles ne font pas partie d'un système connecté. Un moteur qui fonctionne à 90 % d'efficacité est excellent, mais s'il fonctionne alors qu'il n'en a pas besoin, cette efficacité n'a pas d'importance. L'automatisation transforme des machines individuelles efficaces en un système complet qui ne gaspille presque pas d'énergie. Cela réduit également les temps d'arrêt imprévus, qui constituent un coût énergétique caché : lorsqu'une machine tombe en panne, les usines font souvent fonctionner d'autres lignes à des vitesses plus élevées pour compenser la perte de production, gaspillant ainsi davantage d'énergie dans le processus. Nos fonctionnalités de maintenance prédictive, intégrées à chaque système d'automatisation, détectent les problèmes avant qu'ils n'entraînent des temps d'arrêt, afin que les lignes fonctionnent de manière constante à des vitesses optimales, et non à des vitesses d'urgence.
En fin de compte, optimiser la consommation d'énergie d'une usine grâce à l'automatisation repose sur trois choses simples : adapter la consommation d'énergie aux besoins réels de production, connecter tous les actifs afin qu'ils fonctionnent de manière synchronisée et utiliser les données pour récupérer les déchets avant qu'ils ne deviennent un problème. Il ne s'agit pas de forcer une usine à fonctionner plus vite ou à utiliser moins de production, il s'agit de faire en sorte que chaque watt compte. Si vous cherchez à réduire les coûts énergétiques de votre usine sans sacrifier les performances, ou si vous souhaitez en savoir plus sur le fonctionnement des solutions d'automatisation sur mesure pour votre ligne, nous pouvons vous aider à auditer votre système actuel et à élaborer un plan adapté à vos besoins.
Références
- Administration américaine d'information sur l'énergie. (2023). Aperçu de la consommation d’énergie dans le secteur manufacturier. Washington, DC : Département américain de l'énergie.
- Agence internationale de l'énergie. (2022). Efficacité énergétique dans l'industrie : tendances et technologies clés. Paris : Éditions AIE.
- Association pour l'avancement de l'automatisation. (2023). Impact de l'automatisation industrielle sur la réduction de l'énergie industrielle. Ann Arbor, Michigan : A3.
- Institut national des normes et de la technologie. (2022). Gestion de l'énergie pour les systèmes de fabrication intelligents. Gaithersburg, Maryland : NIST.