L'efficacité énergétique et l'industrie 4.0 dans l'industrie du bois

RÉSUMÉ : L'apparition du concept de l'industrie 4.0 a changé la vision de l'industrie manufacturière, ce paradigme touche plusieurs secteurs comme la production, l'approvisionnement, la maintenance et l'énergie. Notre projet de recherche est une feuille de route pour une implantation efficace du concept de l'industrie 4.0 dans le domaine de l'efficacité énergétique. Nous illustrons les différentes étapes d'implantation du concept de l'industrie 4.0 dans le domaine énergétique tout en démontrant la manière dont ce concept contribue à réduire la consommation énergétique dans le domaine industriel. L'exemple de l'industrie des meubles est un exemple très particulier, classifié comme la troisième transformation de l'industrie du bois. Cette industrie a des exigences communes avec les autres industries comme l'obligation d'assurer un environnement équilibré auquel sont exposés les travailleurs, appelé le confort thermique, et des exigences particulières comme l'entreposage de la matière première. Selon les normes de qualité en vigueur, la teneur en humidité doit être comprise entre 8% et 12% pour que la matière première à base de bois soit admissible aux différentes transformations, ce qui nécessite une surveillance permanente de ce paramètre surtout dans des régions ou la fluctuation de la température et l'humidité de l'air est importante comme au Bas-Saint-Laurent au Québec. D'une part, nos connaissances sur le concept de l'industrie 4.0 ainsi que sur le comportement de la matière entreposée sont minimes, alors on a procédé par la définition des notions nécessaires le long de notre étude et surtout les points de jonction entre l'industrie 4.0, l'efficacité énergétique, et l'industrie du bois, ensuite on a entamé une étude approfondie sur le comportement thermo-hydrique des deux principaux matériaux utilisés dans la troisième transformation du bois qui sont la mélamine et le MDF (Medium Density Fiberboard). L'étude est composée de quatre approches qui sont : la formulation mathématique, la simulation numérique, l'étude expérimentale et la modélisation par les RNA (Réseaux de Neurones Artificiels). Cette étude a été effectuée en collaboration avec SEREX (SErvice de Recherche et d'EXpertise en transformation des produits forestiers) situé à Amqui au Bas-Saint-Laurent. La comparaison des résultats entre l'approche expérimentale et les RNA ainsi que celle entre l'approche expérimentale et la simulation nous a permis de valider les résultats. D'autre part, une implantation de l'industrie 4.0 dans le domaine énergétique implique une démarche pratique, ce qui se traduit par une étude de cas ; l'étude de cas consiste à élaborer une solution dite Solution 4.0 dans le volet énergétique dédiée à l'industrie du bois. Cette solution a été appliquée à l'atelier d'usinage de SEREX. On a utilisé les notions étudiées dans la partie théorique ainsi que les résultats de l'étude du comportement thermo hydrique de la mélamine et MDF. La solution 4.0 se manifeste d'abord par l'installation et l'adaptation des dispositifs énergétiques qui se résument dans l'imagerie RA (Réalité Augmentée), les capteurs intelligents, les actionneurs et les appareils de connexion. Ensuite, cette installation sera gérée par une application développée sous Visual Basic pour ordinateur basée sur un algorithme structuré. Elle prend en considération le confort thermique, les conditions de la matière première et l'efficacité énergétique (gestion d'énergie 4.0), ensuite elle enregistre les données dans Google Cloud, et les visualisent à l'aide d'une interface pour téléphone intelligent. L'application de la solution 4.0 a montré que les outils de l'industrie 4.0 peuvent garantir une surveillance permanente de l'environnement afin d'assurer le confort thermique des travailleurs, détecter les anomalies au niveau de la matière première entreposée, et augmenter l'efficacité énergétique de l'atelier en économisant l'énergie consommée. Une comparaison des consommations entre le mode sans solution 4.0 et avec solution 4.0 montre que la valeur de l'énergie économisée sous forme e chauffage par gaz de propane est estimée à 128.05 kWh qui vaut 14.85$ sur une période de 3 heures dans une saison d’automne. -- Mot(s) clé(s) en français : efficacité énergétique, industrie 4.0, industrie du bois, mélamine, MDF, séchage du bois, teneur en humidité, confort thermique. -- \nABSTRACT : The industry 4.0 concept has changed the vision of the manufacturing industry. This paradigm affects several sectors: production, supply, maintenance, and energy. Our research project is a roadmap for effectively implementing the industry 4.0 concept to energy efficiency. In other words, we study the implementation of a structured approach by determining the necessary steps that lead to the practical implementation of the industry 4.0 concept in the energy field while demonstrating how this concept contributes to improving energy consumption in the industrial field. The furniture industry is a very particular example classified as the third transformation of wood. This industry has standard requirements similar to other industries, such as the obligation to respect the environment the workers are exposed to, called thermal comfort, and special requirements for raw material storage. According to the quality standards in force, these standards require that the moisture content must be between 8% and 12% for the wood-based raw material to be eligible for the various transformations. This requires permanent monitoring of this parameter, especially in regions with high air temperature and humidity fluctuations, as in the Bas-Saint-Laurent in Quebec. On the one hand, our knowledge of the concept of industry 4.0, as well as the behavior of the stored material, is minimal, so we proceeded by defining the concepts necessary throughout our study and especially the points of junction between the industry 4.0, energy efficiency, and the wood industry. On the other hand, we started an in-depth study on the thermo-hydric behavior of the two primary materials used in the third transformation of wood, melamine, and MDF. The study comprises four approaches: the mathematical formulation, the numerical simulation, the experimental study, and the modeling by the ANN. This study was carried out in collaboration with SEREX, a research center for the wood industry. Comparing the results between the experimental approach and the ANN and between the experimental approach and the simulation allowed us to validate the results. On the other hand, through a case study, we assess the implementation of Industry 4.0 in the energy field with a practical approach. The case study involves developing a solution called Solution 4.0 in the energy component dedicated to the wood industry. This solution was applied to the machine shop at SEREX, and the concepts studied in the theoretical part were used, as well as the results of the study of the thermo-hydric behavior of melamine and MDF. The 4.0 solution is manifested by the installation and adaptation of energy devices that are summarized in AR (Augmented Reality) imaging, smart sensors, actuators, and connection devices. Then, this installation will be managed by an application developed in Visual Basic for computer based on a structured algorithm. It considers thermal comfort, raw material conditions, and energy efficiency (energy management 4.0), stores the data in Google Cloud, and uses a visualization interface for the smartphone. The application of solution 4.0 has shown that Industry 4.0 tools can guarantee permanent monitoring of the environment to ensure the thermal comfort of workers, detect anomalies in the stored raw material, and increase the energy efficiency of the workshop by saving the consumed energy. A comparison of consumption between the mode without solution 4.0 and with solution 4.0 shows that the value of the saved energy for heating with propane gas is estimated at 128.05 kWh which is worth＄14.85 over 3 hours in an autumn season. -- Mot(s) clé(s) en anglais : energy efficiency, industry 4.0, wood industry, melamine, MDF, wood drying, moisture content, thermal comfort.

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