Opciones de montaje HMI en la sala limpia

Figura 1: Montaje empotrado en la pared sin panel frontal.

Figura 2: Montaje en la pared usando el soporte de tubo en U. Varias acoplamientos giratorios permiten que el HMI y el brazo de soporte giren 350°. La conducción de cables se realiza internamente de acuerdo con los requisitos de sala limpia.

Figura 3: HMI móvil con batería potente en la base.

Figura 4: HMI móvil con pantalla doble para la visualización simultánea de varias aplicaciones.

Figura 5: La carga inductiva elimina la necesidad de cables en una sala limpia. El dispositivo puede ser operado mientras se carga.

Figura 6: Una tableta es especialmente adecuada para su uso en mantenimiento y puesta en marcha, y para la elaboración de procedimientos operativos estándar (POE) en salas limpias.

Figura 7: Ilustración de la optimización del flujo de trabajo y reducción de las distancias recorridas mediante el uso de un HMI móvil.

Figura 8: Una interfaz de usuario con una pantalla generalmente pequeña y potencia de cálculo limitada se utiliza para la interfaz de usuario de los sistemas de automatización de edificios.

Montaje en pared

Preámbulo

En el entorno de proceso moderno de la industria farmacéutica y biotecnológica, el control y la visualización de procesos ya no son concebibles sin estaciones de operador hombre-máquina (Interfaz Hombre-Máquina o HMI). Los requisitos adicionales para una producción sin papel y la autenticación biométrica de los operadores aumentan aún más las demandas sobre las HMI en entornos de producción.

Por lo tanto, es imprescindible integrar la HMI desde el principio en el concepto de producción y en la planificación de los procesos operativos relacionados con el proceso. Esta integración también incluye la planificación de la posición y el montaje de los sistemas, para que puedan ser alcanzados y operados ergonómicamente de manera sensata por el operador.

Para la integración en conceptos y planificaciones existentes, la flexibilidad de las soluciones de montaje es de gran importancia, ya que el espacio, especialmente en áreas de uso higiénico exigente, es valioso.

Variantes de montaje

Al considerar las condiciones locales en diferentes áreas de producción en la industria biotecnológica y farmacéutica, rápidamente se observa que casi todas las HMI están montadas en la pared o en el techo. Esto simplifica la conducción higiénica y sin fallos del cableado para la conexión de datos y suministro de energía, y elimina la necesidad de roscas para cables en los tubos de montaje. La instalación en el suelo se elige con menos frecuencia, ya que la conducción de cables mediante roscas externas en el cableado no suele ser aceptada. En este tipo de montaje, no solo hay que limpiar las roscas de los cables, sino también los cables instalados o el canal de cables utilizado.

Pero también existen soluciones en las que ni el techo ni la pared ofrecen la posibilidad de soportar la carga de la HMI, siendo entonces la parte crítica de carga realizada en el suelo, mientras que la conducción del cable se realiza a través del techo o la pared. Aunque esta solución puede parecer menos elegante para el observador, sigue siendo pragmática y completamente apta para salas blancas.

Montaje en la pared

Donde las condiciones lo permiten, el montaje en la pared es la solución más sencilla, aunque requiere, debido al peso propio de la HMI, un refuerzo mecánico en la pared de la sala blanca. Esto es imprescindible para absorber las fuerzas que se generan y garantizar una instalación segura y duradera.

En el montaje en la pared, se distinguen fundamentalmente dos variantes: la instalación en la pared (In-Wall) y la instalación sobre la pared (On-Wall).

Montaje en la pared (In-Wall)

Esta es la variante clásica de montaje (ver figura 1), debido a la forma profunda de las generaciones anteriores de HMI. Se realiza un recorte en la pared de la sala blanca y se establece un patrón de perforación con refuerzo determinado por el dispositivo. Normalmente, el dispositivo se inserta con una placa frontal con pernos soldados y se atornilla desde atrás. La ventaja de esta solución es que es fácil de montar y que el dispositivo queda empotrado en la pared, aunque el marco de montaje deja un posible borde de suciedad. Para dispositivos táctiles sencillos, esta sigue siendo una forma común de montaje, aunque presenta varias desventajas. Se deben tener en cuenta los siguientes puntos:

El patrón de perforación en la pared es específico del dispositivo y del modelo. Un cambio de fabricante en el dispositivo puede requerir una intervención significativa en la sala blanca para modificar el recorte de montaje y adaptarlo a las nuevas dimensiones del dispositivo.

El montaje con placa frontal y pernos requiere la posibilidad de acceder a la parte trasera de la pared de la sala blanca para poder reemplazar el dispositivo en caso de reparación.

En sentido inverso, esto también significa que en caso de reparación, la sala blanca debe abrirse, y posteriormente, realizar los pasos necesarios para volver a sellar y limpiar la sala. Este proceso es tanto administrativamente complejo como que tiene un impacto significativo en el uso del espacio.

Existen soluciones para minimizar este esfuerzo, como insertar una bandeja de montaje en la pared y sellarla herméticamente, pero esto solo reduce el esfuerzo en el reemplazo del dispositivo, sin solucionar el problema de las dimensiones del recorte en la pared, que son específicas del dispositivo.

En general, esta solución es compacta en espacio, pero implica un alto esfuerzo de montaje y, en caso de fallo del dispositivo, resulta costosa y lleva mucho tiempo para el operador de la planta.

Montaje en la pared (On-Wall)

La solución más preferida en muchos casos, debido a su mayor flexibilidad, es montar la HMI en la pared (ver figura 2). En los últimos años, esta solución ha superado en popularidad al montaje en la pared, ya que los avances tecnológicos permiten fabricar dispositivos más ligeros, pequeños y, sobre todo, más planos. Esto facilita la limpieza de los dispositivos y reduce mucho el espacio necesario.

Para este tipo de montaje, también es necesario reforzar estructuralmente la pared para soportar las fuerzas generadas. A diferencia del montaje en la pared, la posición de los dispositivos es más flexible, ya que no solo se fija en una posición rígida, sino que, mediante diferentes sistemas de montaje, los dispositivos pueden moverse. Una o varias conexiones giratorias permiten rotar el dispositivo alrededor de su propio eje y, adicionalmente, mediante una unión en la pared, girar el dispositivo hacia el interior de la sala o volver a la pared. Además, las HMI pueden colocarse y moverse en configuración dúplex (doble pantalla). Esto proporciona al operador la máxima flexibilidad en la visualización de los contenidos.

También hay que tener en cuenta que, para estas soluciones flexibles, la conducción del cable se realiza internamente y no son visibles cables externos. Los cables colocados en el exterior son difíciles de limpiar y representan un riesgo de contaminación. En las conexiones, es imprescindible que tengan un tope de giro que limite la rotación a un máximo de 350°, para evitar torsiones internas y daños en las líneas de datos y energía.

En la mayoría de los casos, los sistemas de montaje están estandarizados, por lo que los dispositivos son intercambiables en estos sistemas, facilitando la sustitución en caso de necesidad. Además, las conexiones de los dispositivos en la instalación en la pared se pueden introducir herméticamente en la sala blanca mediante una rosca de cable, lo que significa que, en caso de reemplazo, no es necesario abrir la sala blanca y, por tanto, no es obligatorio limpiar tras el cambio del HMI.

HMI móvil

Las variantes de montaje en la pared y en la pared son soluciones clásicas y ofrecen una excelente relación coste-beneficio en salas blancas que se utilizan prácticamente de forma continua. Sin embargo, en muchos casos, las salas blancas solo se usan efectivamente unos pocos días a la semana, ya que el siguiente paso de producción se prepara y limpia la sala para ello. En estas aplicaciones, los HMI no se utilizan de manera efectiva. Para estos casos, se puede considerar una solución que esté a la altura de los avances tecnológicos actuales: los HMI móviles (ver figura 3).

Proveer un PC con una batería y, así, crear una solución móvil que pueda usarse según sea necesario, no es algo nuevo. Sin embargo, hay varias consideraciones importantes.

El requisito más importante para el uso exitoso de una solución móvil en la sala blanca es la conexión a la red. Idealmente, la cobertura Wi-Fi en el entorno de producción debe ser completa, garantizando así la integridad de los datos en todo momento. Para áreas donde esto no sea posible o no sea deseado, se deben crear conexiones físicas LAN mediante puertos LAN aptos para salas blancas.

Como las soluciones móviles son mecánicamente más complejas que las soluciones fijas, otro aspecto importante es la limpieza sencilla y rápida de los dispositivos. Cuando estos deben desplazarse de sala blanca en sala blanca, se debe evitar estrictamente la contaminación cruzada. La solución móvil debe estar diseñada para salas blancas y, como mínimo, cumplir con la clasificación de protección IP65 para garantizar su limpiabilidad.

Al usar soluciones móviles, no se debe tener que retirar el dispositivo de la sala blanca durante la producción para cargar la batería, por lo que una larga duración de la batería es otra característica imprescindible. Se debe tener en cuenta que el turno en producción puede durar 8 horas en países de habla alemana y hasta 12 horas en otros. Una batería pierde rendimiento con el tiempo, por lo que nunca se debe contar con la capacidad máxima de una batería. Para asegurar que el dispositivo dure uno o varios turnos, se considera una capacidad del 75% como base de cálculo, lo cual sigue siendo realista incluso tras varios años de uso. Se recomienda usar tecnologías de baterías robustas (por ejemplo, AGM - Absorbent Glass Mat Lead Vlies), que ofrecen alta fiabilidad y rendimiento.

En soluciones móviles, también se debe tener en cuenta la seguridad del operador. Escenarios típicos en entornos de producción incluyen la pérdida de una rueda en la base del dispositivo, que puede hacer que se vuelque, o que el operador se sujete al dispositivo. En cualquier caso, se debe garantizar que el dispositivo no se vuelque o caiga. Una base móvil con solo cuatro ruedas montadas no es adecuada para esto.

Gracias a los diseños modernos de productos, las soluciones móviles ya no solo están disponibles con una pantalla, sino también en configuraciones de doble pantalla (duplex) (ver figura 4). Esto permite al operador mostrar varias aplicaciones al mismo tiempo en un solo dispositivo.

Otra evolución hacia una solución completamente apta para salas blancas es la eliminación de cables de carga y, por tanto, la ausencia de tomas de corriente en la sala blanca. Esto se logra mediante carga inductiva de las baterías. Se distribuyen uno o varios puntos de carga en la sala blanca, permitiendo cargar el dispositivo durante su uso (ver figura 5). La solución, según el estado actual de la tecnología, puede cargar más rápido que un sistema de carga con cable. Además, se ahorra espacio, ya que desaparece el lugar de estacionamiento dedicado para cargar el HMI móvil.

Tablet PC

La solución de Tablet PC (ver figura 6) es vista por muchos responsables como la opción más económica para el control y la visualización de procesos en la sala blanca. Un Tablet PC es altamente móvil, económico y fácilmente reemplazable.

Sin embargo, esta es solo una perspectiva de CAPEX (gastos de capital) y rara vez es compartida por los empleados de producción. Al considerar diferentes perspectivas, se debe tener en cuenta principalmente la aplicación para la cual un Tablet PC es más o menos adecuado. Las aplicaciones prácticas de esta tecnología relativamente nueva muestran que es especialmente útil en mantenimiento, puesta en marcha y en la presentación de Procedimientos Operativos Estándar (SOP). Para estas aplicaciones, la movilidad del Tablet es perfecta.

Otras aplicaciones, como la operación de un Sistema de Ejecución de Manufactura (MES) o un Sistema de Control Distribuido (DCS), requieren capacidades de entrada de datos. La entrada de datos en un Tablet PC se realiza mediante un teclado en pantalla, que ocupa espacio en la pantalla.

Por lo tanto, la claridad de la interfaz se ve comprometida y el Tablet PC puede convertirse en una carga y un factor de riesgo en la producción.

Las soluciones HMI fijas y móviles pueden fijarse en una posición específica, permitiendo al operador usar ambas manos para tareas normales. En el caso de un Tablet PC, se necesita un soporte especial o que el dispositivo sea llevado por el operador. Si el dispositivo permanece en la mano, los procesos de escaneo con el Tablet son incómodos debido a la falta de ergonomía en comparación con un escáner de mano, y la conexión con un escáner de mano también dificulta la entrada de datos, ya que ambas manos están ocupadas.

Además, se debe considerar la usabilidad de los Tablet PCs en la sala blanca en general. Un producto diseñado para usuarios privados solo puede ser utilizado en la sala blanca mediante accesorios especiales, como una carcasa de acero inoxidable. Si un Tablet PC no está protegido, la limpieza necesaria puede no ser posible o requerir un esfuerzo extremo, ya que, por ejemplo, los puertos abiertos (Micro-USB) deben limpiarse minuciosamente. La compatibilidad con los productos de limpieza utilizados en la industria farmacéutica y biotecnológica debe evaluarse individualmente.

Otro aspecto, a menudo no considerado, es el ciclo de vida del producto comercial. Los Tablets utilizados tienen ciclos de vida más cortos que un producto industrial, por lo que no es improbable que, tras pruebas, calificación y proceso de adquisición, el Tablet seleccionado sea reemplazado por un producto de sucesión.

Por último, es necesario definir dónde y cómo se recargan los Tablet PCs. La duración de la batería en uso normal probablemente no será suficiente para un turno completo, dependiendo de la aplicación. Si la carga debe hacerse en la sala blanca, las estaciones de carga deben ser limpiables y debe crearse un lugar de carga para los Tablet PCs. Si la recarga se realiza fuera de la sala blanca, el propio Tablet debe cumplir con los requisitos de limpieza GMP para facilitar su entrada y salida de la sala blanca.

Producción LEAN

Otro aspecto a considerar, que a menudo recibe poca atención en la selección y posicionamiento de los dispositivos HMI, es la planificación de la HMI como parte integral de una producción lean (eficiente). Al comparar el diagrama de espagueti (ver figura 7) para HMI fijas y móviles, se observa que la entrada de datos en el punto donde se generan los datos es mucho más eficiente y simplifica el proceso adicionalmente. Si este procedimiento se combina con una autenticación biométrica del usuario, se logra un aumento significativo en la productividad.

Salud, Seguridad y Medio Ambiente (EHS - Environment Health & Safety)

En el aspecto EHS, deben considerarse puntos como la seguridad del dispositivo, la facilidad de limpieza, la compatibilidad ambiental de los materiales utilizados y, sobre todo, la ergonomía. Es importante que los dispositivos no solo cumplan con el estado actual de la técnica, sino que también se produzcan de manera segura y sostenible. En cuanto a la sostenibilidad, el uso de componentes libres de plomo y soldaduras libres de plomo ya es una práctica estándar, y también se debe cumplir con la normativa REACH (Registro, Evaluación, Autorización y Restricción de Productos Químicos).

En relación con la salud, la limpieza sencilla con los productos de limpieza específicos de producción debe ser posible sin dificultad, y debe apoyarse en el diseño de los dispositivos, la naturaleza del material y la estructura superficial. Una superficie de acero inoxidable con acabado áspero no es adecuada, y en el diseño se debe evitar que las superficies planas favorezcan la acumulación de líquidos y polvo. Solo mediante estas medidas se puede garantizar que los operadores no entren en contacto con superficies contaminadas o con sustancias activas en las superficies en un momento posterior.

En cuanto a la seguridad, especialmente en el diseño del dispositivo, se debe evitar en la medida de lo posible el uso de ángulos de 90° para reducir el riesgo de lesiones al manipular la carcasa. Las teclas deben sobresalir hacia adelante para una operación óptima, aunque en muchos casos esto aumenta el riesgo de colisión con el operador. La mejor solución es que las teclas puedan pivotar fuera del área de movimiento del operador. Las soluciones móviles deben tener al menos 5 ruedas para garantizar la seguridad contra vuelcos en caso de pérdida de una rueda, y una distribución de peso adecuada también es crucial al moverlos por rampas o al subir obstáculos.

SOLUCIÓN ESPECIAL: HMI ajustable en altura

En muchos casos, una solución de montaje de HMI ajustable en altura se asocia automáticamente con un concepto ergonómico sensato. Para las generaciones anteriores de pantallas HMI, esto también tiene sentido, ya que el ángulo de visión solo permite una visualización directa desde el frente. Las tecnologías modernas de pantallas, como la conmutación en plano (IPS), permiten ángulos de visión de 178° y, en combinación con el ensamblaje óptico (conexión sin espacio entre pantalla, táctil y vidrio frontal), como en smartphones y tablets, hacen que la pantalla sea mucho más brillante, vibrante y con mayor contraste. Estas tecnologías permiten prescindir de una montura ajustable en altura. Además, ofrecen una mayor aptitud para salas blancas, ya que en una solución mecánicamente ajustable en altura, las partes móviles interactúan constantemente. La limpieza de una solución así siempre debe evaluarse cuidadosamente, ya que generalmente no es un sistema cerrado con protección IP65.

SOLUCIÓN ESPECIAL para Sistemas de Gestión de Edificios

En la automatización de edificios, no solo se trata del control descentralizado de un sistema de climatización, sino de un concepto integral para el uso eficiente de energía, control de accesos y establecimiento de capacidades de control para monitorear las condiciones ambientales. Para la industria farmacéutica y biotecnológica, los requisitos de documentación sin papel y las demandas de interconexión de Pharma 4.0 añaden nuevas exigencias a la gestión de edificios. La interfaz de usuario suele ser una HMI con una pantalla pequeña y poca potencia de cálculo, conectada a un servidor central a través de la red, que consulta la información mostrada y transmite las entradas del operador cuando es necesario. Para estas tareas de visualización sencillas, basta con una pantalla que pueda ser operada con ropa de protección de sala blanca, con conexión en red y, en el mejor de los casos, con alimentación integrada mediante Power over Ethernet (PoE). Esto minimiza el esfuerzo de montaje y cableado. Como la potencia de cálculo la proporciona el servidor, se puede prescindir de hardware potente y se recomienda el uso de un cliente ligero (Thin Client). En el mejor de los casos, estas pantallas se pueden montar sin reforzar la pared de la sala blanca, asegurando que queden enrasadas con la superficie de la pared y que ofrezcan protección IP65. En caso de fallo del dispositivo, debe ser posible retirarlo fácilmente para su uso por el operador.

Epílogo

Las demandas sobre las HMI en los entornos de producción de la industria farmacéutica y biotecnológica son variadas y exigentes. En consecuencia, las soluciones deben ser flexibles y aptas para cumplir con los estrictos requisitos de Buenas Prácticas de Fabricación (GMP) y su calificación. Los requisitos de los operadores deben estar en primer plano, así como la idoneidad del dispositivo para el entorno de producción y su fácil limpieza. Debido a la gran cantidad de requisitos, una HMI representa una inversión significativa, que, si se planifica con anticipación e involucra al fabricante en el proceso, garantiza un retorno de inversión (RoI) óptimo.