Možnosti montáže HMI v čisté místnosti

Obrázek 1: Zapuštěná instalace do zdi bez předního panelu.

Obrázek 2: Montáž na stěnu pomocí U-trubkového nosného ramene. Několik otočných spojek umožňuje otáčení HMI a nosného ramene o 350°. Kabelové vedení je provedeno interně v souladu s požadavky na čisté prostory.

Obrázek 3: Mobilní HMI s výkonnou baterií na podstavci.

Obrázek 4: Mobilní HMI s duálním displejem pro současné zobrazení několika aplikací. / Figure 4: Mobile HMI with dual-screen display for viewing several applications at once.

Obrázek 5: Induktivní nabíjení umožňuje čistou místnost bez kabelů. Zařízení lze ovládat během nabíjení.

Obrázek 6: Tablet je zvláště vhodný pro použití při údržbě a uvedení do provozu a pro tvorbu standardních provozních postupů (SOP) v čistých prostorách.

Obrázek 7: Zobrazení optimalizace pracovního postupu a snížení vzdáleností chůze díky použití mobilního HMI. / Figure 7: Ilustrace optimalizace pracovního postupu a snížení vzdáleností chůze díky použití mobilního HMI.

Obrázek 8: Uživatelské rozhraní systémů řízení budov představuje HMI s obvykle malým displejem a omezeným výpočetním výkonem. / Figure 8: An HMI with a usually small display and limited computing power is used for the user interface of building automation systems.

Nástěnná montáž

Prohlášení

V moderním prostředí procesů v farmaceutickém a biotechnologickém průmyslu již není možné si představit řízení a vizualizaci procesů bez obslužných stanic člověk-stroj (Human-Machine-Interface nebo HMI). Další požadavky na bezpapírovou výrobu a biometrickou autentizaci obsluhy dále zvyšují nároky na HMI v výrobním prostředí.

Proto je nezbytné od začátku integrovat HMI do výrobního konceptu a plánování provozních procesů. K této integraci patří také plánování polohy a montáže systémů tak, aby je obsluha mohla ergonomicky rozumně dosáhnout a ovládat.

Pro integraci do stávajících konceptů a plánů je velmi důležitá flexibilita montážních řešení, protože místo, obzvlášť v hygienicky náročných oblastech, je vzácné.

Varianty montáže

Když se v různých výrobních oblastech biotechnologie a farmacie podíváme na místní podmínky, rychle zjistíme, že téměř všechny HMI jsou namontovány na stěnu nebo ze stropu. To usnadňuje hygienicky správné vedení kabelů pro datové připojení a napájení a eliminuje potřebu kabelových průchodek v montážních trubkách. Podlahová montáž je méně častá, protože vedení kabelů přes externí průchody je málo akceptované. U tohoto typu montáže je třeba nejen vyčistit kabelové průchodky, ale také kabely nebo kabelové kanály, které jsou vedeny.

Existují však i řešení, kdy ani strop ani stěna nemají možnost unést nosnost HMI, přičemž zatížená část je provedena jako podlahová montáž, zatímco přívod kabelů probíhá přes strop nebo stěnu. I když to může působit méně elegantně, je toto řešení pragmatické a plně vhodné do čistých prostor.

Montáž na stěnu

Kde to podmínky umožňují, je montáž na stěnu nejjednodušším řešením, avšak vzhledem k hmotnosti HMI je nutné mechanické zesílení stěny čistého prostoru. To je nezbytné k zachycení sil, které vznikají, a zajištění bezpečné a dlouhodobé instalace.

Pohledem na montáž na stěnu rozlišujeme dvě základní varianty: In-Wall (uvnitř stěny) a On-Wall (na stěně).

In-Wall montáž

Toto je klasická varianta montáže (viz obrázek 1), která je dána hloubkou konstrukce starších generací HMI. Vytvoří se výřez ve stěně čistého prostoru a určí se vzor vrtání s výztuhou podle zařízení. Zařízení je obvykle vloženo s přední deskou s navařenými stojany a zezadu přišroubováno. Výhodou tohoto řešení je jednoduchost montáže a zapuštění zařízení do zdi, přičemž montážní rám zanechává potenciální špinavou hranu. U jednoduchých dotykových zařízení je toto stále běžná forma montáže, avšak má několik nevýhod. Při používání je třeba vzít v úvahu následující body:

Vzor vrtání ve stěně je specifický pro zařízení a model. Jakákoli změna výrobce zařízení může při nutnosti výměny vyžadovat zásah do prostoru čistého prostoru, aby bylo možné upravit výřez ve stěně podle nového zařízení.

Montáž s přední deskou a stojany vyžaduje přístup na zadní stranu stěny, aby bylo možné zařízení vyměnit v případě opravy.

Naopak to znamená, že při opravě je nutné otevřít prostor čistého prostoru, což vyžaduje další kroky k opětovnému utěsnění a čištění místnosti. Tento proces je administrativně náročný a má výrazný dopad na využití prostoru.

Existují řešení, jak minimalizovat tento náklad, například vložením montážní vany do stěny a její hermetickým utěsněním, avšak to snižuje pouze náročnost výměny zařízení, nikoli problém s rozměry výřezu ve stěně přizpůsobeným konkrétnímu zařízení.

Celkově je toto řešení úsporné na místo, avšak vyžaduje vysokou montážní náročnost a při poruše zařízení je časově i finančně náročné pro provozovatele zařízení.

On-Wall montáž

Častěji preferované a flexibilnější řešení je montáž HMI na stěnu (viz obrázek 2). Toto řešení se v posledních letech více prosadilo oproti In-Wall montáži, protože pokrok v technologiích umožňuje výrobu menších, lehčích a především tenčích zařízení. To umožňuje snadnější čištění a minimalizaci prostoru.

Pro tuto montáž je také nutné strukturově zesílit stěnu, aby unesla síly. Na rozdíl od In-Wall montáže je však poloha zařízení flexibilnější, protože není pevně stanovena, ale lze je přes různé montážní systémy pohybovat. Některé otočné spojky umožňují otáčení zařízení kolem vlastní osy, a pomocí stěnové spojky lze zařízení otáčet do prostoru nebo zpět ke stěně. HMI lze také umístit jako duplexní konfiguraci (dvojitý displej) a pohybovat s nimi. To poskytuje obsluze maximální flexibilitu při zobrazení obsahu.

Je třeba také vzít v úvahu, že u těchto flexibilních řešení je vedení kabelů interní a žádné kabely nejsou viditelné zvenčí. Vnější kabely jsou obtížné na čištění a představují riziko kontaminace. U spojek je nutné zajistit, že mají otáčecí doraz omezený na maximálně 350°, aby se zabránilo vnitřnímu zkroucení a poškození kabelů pro data a napájení.

Většina montážních systémů je standardizovaná, což usnadňuje výměnu zařízení, protože jsou kompatibilní s montážními systémy. Kabelové připojení u On-Wall montáže lze hermeticky utěsnit pomocí kabelových průchodek, takže při výměně zařízení se neotevírá prostor čistého prostoru a není nutná následná dezinfekce.

Mobilní HMI

Varianty In-Wall a On-Wall jsou klasická řešení s dobrým poměrem cena/výkon, vhodná pro prostory, které jsou prakticky neustále využívány. Často jsou však prostory využívány jen několik dní v týdnu, protože další krok výroby je připravován a prostor je čištěn. V takových případech se HMI efektivně nevyužívají. Pro tyto případy je vhodné zvážit řešení, které odpovídá současným technologiím, tedy mobilní HMI (viz obrázek 3).

Napájení počítače z akumulátoru a tím vytvoření mobilního řešení, které lze podle potřeby používat, není nové. Je však třeba vzít v úvahu několik aspektů.

Nejdůležitější podmínkou úspěšného použití mobilního HMI v čistém prostoru je připojení k síti. Ideálně je pokrytí Wi-Fi v výrobním prostředí úplné, což zajišťuje integritu dat v každém okamžiku. V oblastech, kde to není možné nebo žádoucí, je třeba vytvořit fyzická LAN připojení přes čisté prostory vhodné LAN zásuvky.

Protože jsou mobilní řešení mechanicky složitější než pevná, je také důležité, aby zařízení šlo snadno a rychle čistit. Pokud je třeba je přesouvat mezi prostory, musí být zabráněno křížové kontaminaci. Mobilní řešení by mělo být navrženo tak, aby odolávalo čistému prostoru a splňovalo minimálně ochranu IP65, aby bylo možné jej snadno čistit.

Při použití mobilních řešení je důležité, aby zařízení během výroby nemusela být vyndávána ze prostoru kvůli nabíjení, a proto je dlouhá výdrž baterie klíčová. Mělo by se počítat s tím, že směna v produkci může trvat 8 hodin v německy mluvících zemích a až 12 hodin v jiných. Baterie ztrácí výkon v průběhu života, proto nelze počítat s plným výkonem nové baterie. Pokud je cílem zajistit, že zařízení vydrží jednu nebo více směn, je 75% kapacity baterie realistickým základem i po několika letech používání. Nejlepší jsou odolné technologie baterií (například AGM – Absorbent Glass Mat olověný vlies), které nabízejí vysoký výkon a spolehlivost.

U mobilních řešení je také nutné dbát na bezpečnost obsluhy. Typické scénáře v výrobním prostředí jsou ztráta role na podlaze zařízení, narazení na překážku nebo zachycení obsluhou. Vždy je třeba zajistit, že zařízení nespadne nebo se nepřevrhne. Mobilní základna s pouze čtyřmi kolečky není vhodná z hlediska stability.

Moderní designy umožňují nejen použití jednoho displeje, ale i duplextního (dvojitého) řešení (viz obrázek 4), což umožňuje obsluze současně zobrazovat více aplikací na jednom zařízení.

Dalším krokem směrem k plně čistému prostředí je eliminace nabíjecích kabelů a zásuvek v prostoru čistého prostoru. To je umožněno induktivním nabíjením baterií. Jeden nebo více nabíjecích bodů je rozmístěno v prostoru a zařízení se při obsluze nabíjí (viz obrázek 5). Tato technologie umožňuje nabíjení rychleji než kabelové nabíječky a zároveň šetří místo, protože odpadá místo pro nabíjecí stanici.

Tablet PC

Řešení s tablet PC (viz obrázek 6) je mnohými považováno za nejlevnější variantu řízení a vizualizace procesů v čistém prostoru. Tablet PC je velmi mobilní, cenově dostupný a snadno vyměnitelný.

Jedná se však pouze o pohled z hlediska kapitálových nákladů (CAPEX), který sdíle jen velmi zřídka výrobní personál. Při posuzování různých pohledů je třeba mít na paměti, pro jaké použití je tablet vhodnější nebo nevhodnější. Praktické zkušenosti s touto relativně novou technologií ukazují, že je ideální například pro údržbu, uvedení do provozu a předkládání standardních operačních postupů (SOP). Pro tyto aplikace je mobilita tabletu perfektní.

Jiné aplikace, například obsluha systémů Manufacturing Execution System (MES) nebo Distributed Control System (DCS), vyžadují možnosti zadávání dat. Toto zadávání se provádí přes obrazovkové klávesnice, která zabírá místo na displeji.

Proto přehlednost již není zaručena a tablet se stává zátěží a rizikovým faktorem v produkci.

Stacionární i mobilní HMI řešení lze upevnit na pevnou pozici, což umožňuje obsluze používat obě ruce pro běžné pracovní úkoly. U tabletu je třeba vytvořit speciální držák nebo jej nosit s sebou. Pokud zařízení zůstává v ruce, je používání skenovacích funkcí s tabletem, kvůli nedostatku ergonomie ve srovnání s ručním skenerem, namáhavé a spojení s ručním skenerem komplikuje zadávání dat, protože obě ruce jsou obsazené.

Je také třeba zvážit, že použití tabletů v čistém prostoru je obecně omezené. Produkt určený pro soukromého uživatele lze využít pouze s pomocí speciálních pomůcek, například vložením do nerezového krytu. Pokud tablet není chráněn, není zajištěna jeho nutná čistitelnost nebo je nutné ji provádět za extrémně vysokých nákladů, například kvůli čištění otevřených portů (Micro-USB). Je třeba individuálně posoudit, do jaké míry lze použít běžná čisticí prostředky používané v farmaceutickém a biotechnologickém průmyslu.

Dalším často opomíjeným bodem je životnost komerčního produktu. Tablety jsou podrobeny kratším cyklům než průmyslové produkty, a proto není neobvyklé, že po úspěšném testování, kvalifikaci a nákupním procesu je vybrané zařízení nahrazeno novým modelem.

A nakonec je třeba vyjasnit, kde a jak se tablety dobíjejí. Výdrž baterie při běžném používání pravděpodobně nebude stačit na celou směnu. Pokud má být nabíjení v prostoru čistého prostoru, musí být nabíjecí stanice vhodně čistitelná a musí být vytvořeno nabíjecí místo pro tablety. Pokud se má nabíjení provádět mimo čistý prostor, musí tablet splňovat požadavky na GMP čištění, aby jej bylo možné snadno vložit a vyjmout z prostoru.

LEAN výroba

Dalším aspektem, který je často při výběru a umístění HMI zařízení opomíjen, je plánování HMI jako integrální součást štíhlé (LEAN) výroby. Při srovnání spaghetti diagramu (viz obrázek 7) pro pevně instalovaná a mobilní HMI je zřejmé, že zadávání dat v místě, kde data vznikají, je výrazně efektivnější a proces je dále zjednodušen. Pokud je tento proces spojen s biometrickou autentizací uživatele, dochází k výraznému zvýšení produktivity.

Životní prostředí, zdraví a bezpečnost (EHS - Environment Health & Safety)

V aspektu EHS je třeba vzít v úvahu body jako bezpečnost zařízení, čistitelnost zařízení, ekologickou šetrnost použitých materiálů a především ergonomii. Je důležité, aby zařízení nejen odpovídala současnému technickému stavu, ale byla také bezpečně a udržitelně vyráběna. Pokud jde o udržitelnost, je používání bezolovnatých součástek a pájky již standardem, stejně tak dodržování nařízení REACH týkajícího se registrace, hodnocení, schvalování a omezení chemických látek.

Co se týče zdraví, musí být jednoduché čištění s výrobkově specifickými čisticími prostředky snadno možné a podporováno designem zařízení, materiálem a povrchovou strukturou. Hrubě broušený nerezový povrch není vhodný a je třeba dbát na to, aby rovné plochy nevedly ke shromažďování tekutin nebo prachu. Pouze tak lze zajistit, že obsluha nebude později v kontaktu s kontaminovanými povrchy nebo aktivními látkami na površích.

Pokud jde o bezpečnost, je třeba při návrhu zařízení především minimalizovat úhly 90°, aby se snížilo riziko poranění obsluhy na krytu. Klávesnice musí být pro optimální obsluhu od zařízení odsazena dopředu, což však často zvyšuje riziko kolize s obsluhou. Pokud lze klávesnice sklopit mimo pracovní oblast, je to preferované řešení. Mobilní řešení musí mít minimálně 5 koleček, aby bylo zajištěno proti převrácení při ztrátě jednoho kolečka, a také je třeba dbát na to, aby zařízení nebylo při pohybu po rampách nebo narazení na překážky příliš těžké.

Spezialní řešení: výškově nastavitelné HMI

V mnoha případech je výškově nastavitelné HMI považováno za ergonomické řešení. U starších displejů je to rozumné, protože zajišťují pouze přímé zobrazení zepředu. Novější technologie, například In-Plane Switching (IPS), umožňují pozorovací úhel 178° a ve spojení s Optical Bonding (bezspojové spojení displeje, dotykové vrstvy a předního skla), jak je známo z chytrých telefonů a tabletů, zvyšují jas, brilanci a kontrast displeje. Tyto technologie umožňují odložení výškově nastavitelné montáže. Také výrazně zlepšují vhodnost do čistého prostředí, protože mechanicky výškově nastavitelné řešení obsahuje pohyblivé části, které je třeba pečlivě posoudit z hlediska čistitelnosti, neboť se obvykle nejedná o uzavřený systém s krytím IP65.

Spezialní řešení pro systémy řízení budov

U automatizace budov nejde jen o decentralizované řízení klimatizace, ale o komplexní koncept co nejefektivnějšího využívání energie, řízení přístupu a nastavení řídicích funkcí pro kontrolu podmínek prostředí. U farmaceutického a biotechnologického průmyslu přinášejí požadavky na bezpapírovou dokumentaci a síťové požadavky z Pharma 4.0 další požadavky na správu budov. Uživatelské rozhraní je zde HMI s malým displejem a nízkým výpočetním výkonem, které je připojeno přes síť k centrálnímu serveru a od něj čte zobrazované informace a v případě potřeby přeposílá vstupy obsluhy. Pro tyto jednoduché zobrazovací úkoly postačí displej ovládaný v čistém prostoru s ochranou proti kontaminaci a s připojením k síti, ideálně s integrovaným napájením přes Power over Ethernet (PoE). Tím je možné minimalizovat montážní a kabelážní náklady. Protože výpočetní výkon je zajištěn serverem, lze doporučit použití tenkého klienta, který nevyžaduje výkonný hardware. Ideálně lze tyto displeje instalovat bez zesílení stěny tak, aby těsně přiléhaly k povrchu stěny a splňovaly IP65 ochranu. Při poruše zařízení musí být opět snadno odstranitelné z prostoru obsluhy.

Epilog

Požadavky na HMI v výrobním prostředí farmaceutického a biotechnologického průmyslu jsou rozmanité a náročné. Proto musí být řešení flexibilní a vhodná pro složité požadavky GMP a s tím související kvalifikaci. Přitom by měly být kladeny stejně vysoké nároky na potřeby obsluhy, jako na vhodnost zařízení pro výrobní prostředí a snadnou čistitelnost. HMI představuje vzhledem k množství požadavků značnou investici, která při včasném plánování a zapojení výrobce do procesu zajistí, že návratnost investice (RoI) bude optimální.