Modélisation graphique des processus : application aux systèmes

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Modélisation graphique des processus :
application aux systèmes de production
D. Bounie, Polytech'Lille – IAAL, L‘usine agro-alimentaire
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Du processus aux procédures … et jusqu’aux gestes
Exemple d’un voyage en avion
(d’après Henry et Monkam-Daverat, 1998)
• 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
Mise en route
Roulage au sol
Lecture check list
Vérification commandes
Départ
Point fixe
x
y
z…
Essai moteurs
Voyage en avion
Réglage instruments
Autorisation de la tour
Envol
Traversée
Approche
Arrivée
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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 ? »
b
Y
a
?
X
c
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Modélisation systémique : ex. du traitement du paludisme
(Franco et al., 1997)
Intrants
Processus
Extrants
Résultats
Systèmes d’appui
Intrants
Processus
Systèmes de
logistique
Extrants
Effets
Impacts
Autres systèmes
Médicaments
Patients
traités pour
paludisme
Systèmes de
financement
Systèmes de
supervision
Systèmes de
formation
Systèmes
d’IEC
Agents
expérimentés
Patients
malades
Culture,situation
socio éco., etc.
Diminution
décès
paludisme
Anamnèse
Examen clinique
Diagnostic
Traitement
Conseils
Baisse
mortalité
Patients conseillés pour
paludisme
Meilleurs
connaissances
et pratiques
Autres systèmes
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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
(Évènements déclenchant l’activité décrite
ou influant fortement son comportement )
Module : décomposition
unitaire des activités
fonctionnelles du système
(Éléments consommés
par l’activité décrite
pour fournir les sorties)
Entrées
« Contrôles »
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)
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Comment ? Qui ?
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Actigramme SADT (2/3)
Exemple d’application : formation de stagiaires
(d’après Cazaubon et al., 1997)
Demande de
formation
Besoins complémentaires de
formation
Méthodes
pédagogiques
Stagiaires à former
Besoins d’évaluation
Supports pédagogiques
Stagiaires en
formation
Enseigner
la
méthode
Besoins de
compléments
d’information
Planning
des cours
Préparer
la
formation
Méthodes d’évaluation
Programme de
formation
Moyens pédagogiques
existants
Besoins de compléments
Évaluer
les
connaissances
acquises
Stagiaires formés
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Actigramme SADT (3/3)
Exemple d’application : prévention de risques par la méthode MOSAR
(d’après J-L Ermine., 2002)
Réglementation (règles et règlements)
A1
Accidents possibles
Identifier (scénario enveloppe)
- Description de
les risques
l’installation
de proximité
(modélisation)
- Environnement
actif
MOSAR
A2
Évaluer
les risques
Conséquences
Risques classés
Outils
de calcul
A3
(acceptables / inacceptables)
Négocier
les objectifs
Grille
proba * gravité
A4
Définir
les moyens - risques maîtrisés
de prévention - risques résiduels
Moyens de prévention :
contrôle, protection,
des– IAAL,
cibles
D. Bounie, choix
Polytech'Lille
L‘usine agro-alimentaire
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Formalisme Grafcet
(Graphe de Commande Étape/Transition)
Diagramme fonctionnel utilisé pour la description des systèmes logiques de commande
1
(étape initiale)
n
action associée
à l’étape n
n+1
action associée
à l’étape n+1
(étape n)
(Transition : condition obligatoire à
(x)
remplir pour passer à l’étape suivante)
(étape n+1)
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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
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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.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Selection of the proper flowsheet to realize the required production
Material and energy balances  process requirement of the plant
Sizing and rating of the required industrial process equipement
Cost estimation
Financial and profitability analysis
Parametric optimization
Structural optimization of process
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Detailed engineering and construction of process
Equipment
Utilities
Buildings
Storage facilities
Waste treatment
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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
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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
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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
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Le schéma bloc
Produits
auxiliaires
énergie
Matières
premières
traitement
de l’information
Opération
unitaire
Rejets
Produits
utilisables
énergie
dégradée
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PBD : exemple pour le concentré de jus d’orange
(Saravacos et Marouli)s et, 2011)
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PBD : exemple pour le concentré de tomate
application aux bilans de matière et de chaleur
(Maroulis et Saravacos, 2003)
Bilan matière
Bilan chaleur
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Schéma bloc : décomposition fonctionnelle et transitions
Diagramme
de niveau 0
Diagramme
de niveau 1
m
Diagramme
de niveau 2
Diagramme
de niveau 3
n1
n2,1
n2
n2,2
ny
n2,z
n
l
n
o
p
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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Présure
Ferments
lactiques
Caillé frais
Séparer
Fragmenter
Laisser reposer
Diviser
Laisser reposer
Mélanger
Incorporer
Laisser reposer
Mélanger
Incorporer
Chauffer
Lait
lactosérum
jusqu’à taille de grains
= L2 x l2 mm
pendant t5 min.
en rectangles = L1 x l1 mm
pendant t4 min.
(ou jusqu’à viscoélasticité = y)
pendant t3 min.
quantité : v2 ml ou p2 mg
pendant t2 min.
(ou jusqu’à pH = x)
pendant t1 min.
quantité : v1 ml ou p1 mg
jusqu’à T= θ °C
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Exemple : caillage en cuve d’un fromage
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Niveau 0 :
des processus de réalisation aux processus de transformation
Matières premières
Matières premières
Ordonnancement
Planification
Gestion des flux
Fabrication
Transformation
Approvisionnement
Réception
Stockage
Fabrication
Conditionnement
Expédition
Libération
produits
Conditionnement
Stockage
Produit fini
Sous-produits
Déchets
Mise à disposition
Expédition
CLIENTS
CLIENTS
Applications
industrielles
Méthodes
Réception
Préparation
Produit fini
Sous-produits
Déchets
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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)
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PFD : exemple pour le concentré de tomate
(Marouli)s et Saravacos, 2003)
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PFD : exemple pour le concentré de jus d’orange
(Saravacos et Marouli)s et, 2011)
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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)
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PLD en élévation : exemple pour le concentré de tomate
(Saravacos, Harvey et Kostaropoulos, 2003)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Water Basin
Preselection and Loading
Washing
Sorting
Crushing/Pulping
Heating
Heating
Finishing
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
Juice Tank
Evaporator
Barometric Condenser
Vacuum Pump
Concentrate Tank
Sterilization
Aseptic Packaging
Aseptic Storage
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PLD par projection au sol : exemple pour le concentré de tomate
(Saravacos, Harvey et Kostaropoulos, 2003)
1.
2.
3.
4.
Water Basin
Preselection and loading
Washing
Sorting
5.
6.
7.
8.
Crushing/Pulping
Heating
Heating
Finishing
9.
10.
11.
12.
Juice Tank
Evaporator
Barometric Condenser
Vacuum Pump
13.
14.
15.
16.
Concentrate Tank
Sterilization
Aseptic Packaging
Aseptic Storage
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PLD en 3D : exemple pour le concentré de tomate
(Saravacos, Harvey et Kostaropoulos, 2003)
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Juice Tank
Evaporator
Barometric Condenser
Vacuum Pump
Concentrate Tank
Sterilization
Aseptic Packaging
Aseptic Storage
Water Basin
Preselection and Loading
Washing
Sorting
Crushing/Pulping
Heating
Heating
Finishing
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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
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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
pHI
Mesure et enregistrement de la teneur en O2
Mesure et affichage de la teneur en CO2
O2 T
O2 R
CO2T
CO2I
Acide
ou base
pHC
Fluide
caloporteur
pHT
TIC
pHR
TT
Régulation
du débit de
substrat
FRC
Régulation de la
température du milieu
par circulation d’un
caloporteur dans la
jaquette
FT
Substrat
Flux de produits
Fonction d’instrumentation
(mesure, affichage, régulation)
Liaison électrique
XT
XRI
Métabolites
Mesure, enregistrement et affichage d’un
paramètre X du débit de métabolites
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PBD : exemple pour les oranges
(Saravacos, Harvey et Kostaropoulos, 2003)
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PFD : exemple pour les oranges
Oranges
(Saravacos, Harvey et Kostaropoulos, 2003)
Culls
washing
OJ : orange juice
COJ : concentrated orange juice
FCOJ : freezed concentrated orange juice
Oranges
grading
sizing
extraction
separation
OJ
Essence
Pomace
OJ
essence
recovery
evaporation
finishing extraction
OJ
Pulp
COJ
Pomace
Feed
Peel oil
mixing
drying
COJ
OJ
OJ
Aseptic OJ
COJ
pasteurizing
aseptic
mixing
HTST
debittering COJ sterilizationpackaging
Bulk packed
FCOJ
Canned FCOJ
freezing
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L‘usine agro-alimentaire
freezing bulk packing
canning– IAAL,
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Différents modes de fonctionnement d’un système de production
et savoir-faire correspondants
(d’après Carrigou et Garbadelle, 2002)
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
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Modèle récursif de situations de vie
Installation
Exploitation
Maintenance
Démantèlement
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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)
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Logigramme : symboles
http://deming.ces.clemson.edu/pub/tutorials/qctools/flowm.htm
Début
ou fin
Document
Données
Activité
Activité
Évènement contrôlé
par un processus
Évènement intervenant
automatiquement
Connecteur
Décision
Opération
manuelle
Opération
et
inspection
Transport
Stockage
Délais
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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
•
D. Bounie, Polytech'Lille – IAAL, L‘usine agro-alimentaire
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Exemple de logigramme de déploiement : réalisation d’une revue de processus
(d’après Cattan et al., 2003)
Données
Activités
D. Bounie, Polytech'Lille – IAAL, L‘usine agro-alimentaire
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Exemple de développement d’un système d’information
(CNRS, 2000)
D. Bounie, Polytech'Lille – IAAL, L‘usine agro-alimentaire
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Qualigramme
cf. : BERGER C. et Guillard S.
La rédaction graphique des procédures - Démarche et techniques de description des processus.
AFNOR, 2000
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