Options de montage HMI en salle blanche

Figure 1 : Montage encastré dans le mur sans façade.

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Figure 3 : Interface homme-machine mobile avec batterie puissante en base.

Figure 4 : Interface homme-machine mobile avec écran double pour la visualisation simultanée de plusieurs applications.

Abbildung 5: Induktives Laden ermöglicht einen Reinraum ohne Kabel. Das Gerät kann während des Ladevorgangs bedient werden.

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Figure 5: La charge inductive élimine le besoin de câbles dans une salle blanche. L'appareil peut être utilisé pendant la charge.

Abbildung 6 : Une tablette est particulièrement adaptée pour les applications de maintenance, de mise en service et pour la présentation de procédures opérationnelles standard (SOP) en salle blanche.

Figure 7 : Illustration de l'optimisation du flux de travail et de la réduction des distances parcourues grâce à l'utilisation d'un HMI mobile.

Figure 8 : Une interface homme-machine (IHM) avec un écran généralement petit et une puissance de calcul limitée est utilisée pour l'interface utilisateur des systèmes d'automatisation des bâtiments.

Montage mural

Préambule

Dans l’environnement moderne des processus de l’industrie pharmaceutique et biotechnologique, la commande et la visualisation des processus ne peuvent plus être envisagées sans stations de commande homme-machine (Human-Machine-Interface ou HMI). Les exigences supplémentaires pour une production sans papier et l’authentification biométrique des opérateurs augmentent encore les exigences envers les HMI dans les environnements de production.

Il est donc impératif d’intégrer le HMI dès le départ dans le concept de production et la planification des processus opérationnels liés au procédé. Cette intégration comprend également la planification de la position et du montage des systèmes, afin qu’ils soient accessibles et utilisables de manière ergonomique par l’opérateur.

Pour l’intégration dans des concepts et plans existants, la flexibilité des solutions de montage est d’une grande importance, car l’espace, en particulier dans des zones exigeantes en termes d’hygiène, est précieux.

Variantes de montage

Lorsque l’on considère les conditions locales dans différents secteurs de la production biotechnologique et pharmaceutique, on constate rapidement que presque tous les HMI sont montés au mur ou au plafond. Cela facilite l’alimentation en câbles pour la connexion des données et l’alimentation électrique de manière hygiénique, et élimine le besoin de raccords de câbles dans les passages de montage. Le montage au sol est plutôt rare, car l’alimentation par câbles via des raccords externes est peu acceptée. Avec ce type de montage, il faut non seulement nettoyer les raccords de câbles, mais aussi les câbles installés ou le canal de câbles utilisé.

Mais il existe aussi des solutions où ni le plafond ni le mur ne peuvent supporter la charge de l’HMI, où la partie critique en termes de charge est réalisée au sol, tandis que l’alimentation en câbles se fait via le plafond ou le mur. Même si cela paraît moins élégant pour l’observateur, cette solution reste pragmatique et entièrement adaptée aux salles propres.

Montage mural

Lorsque les conditions le permettent, le montage mural est la solution la plus simple, mais nécessite, en raison du poids de l’HMI, un renforcement mécanique du mur de la salle propre. Cela est impératif pour absorber les forces exercées et garantir une installation sûre et durable.

Il existe essentiellement deux variantes de montage mural, à savoir le montage In-Wall (dans le mur) et le montage On-Wall (sur le mur).

Montage In-Wall

C’est la variante classique (voir Figure 1), en raison de la profondeur de construction des générations plus anciennes d’HMI. Un trou est réalisé dans le mur de la salle propre, et un motif de perçage déterminé par l’appareil avec renforcement est fixé. L’appareil est généralement encastré avec une plaque frontale équipée de goujons soudés et vissé de l’arrière. L’avantage de cette solution est sa facilité de montage et le fait que l’appareil est intégré de façon peu saillante dans le mur, le cadre de montage laissant une éventuelle arête de saleté. Pour les appareils tactiles simples, cette méthode reste courante, mais elle présente plusieurs inconvénients. Il faut prendre en compte les points suivants :

Le motif de perçage dans le mur est spécifique à l’appareil et au modèle. Toute modification du fabricant de l’appareil peut nécessiter une intervention majeure dans la salle propre pour modifier l’ouverture de montage dans le mur et l’adapter à la nouvelle taille de l’appareil.

Un montage avec plaque frontale et goujons nécessite d’accéder au dos du mur de la salle propre pour pouvoir remplacer l’appareil en cas de réparation.

Inversement, cela implique également que, lors d’une réparation, la salle propre doit être ouverte, ce qui nécessite ensuite de procéder à une nouvelle étanchéité et à un nettoyage du local. Ce processus est à la fois administrativement lourd et a des impacts importants sur l’utilisation de la pièce.

Il existe des solutions pour minimiser cet effort, par exemple en intégrant un bac de montage dans le mur et en le scellant hermétiquement, mais cela ne réduit que l’effort lors du remplacement de l’appareil, pas la problématique des dimensions de découpe spécifiques à l’appareil dans le mur.

Globalement, cette solution est compacte, mais elle implique un coût élevé en montage et en maintenance, et en cas de défaillance de l’appareil, elle peut entraîner des coûts et des délais importants pour l’opérateur de l’installation.

Montage On-Wall

La solution souvent préférée, plus flexible, consiste à monter l’HMI directement sur le mur (voir Figure 2). Cette solution s’est imposée ces dernières années face au montage In-Wall, car les progrès technologiques permettent de fabriquer des appareils plus légers, plus petits et surtout plus plats. Cela facilite leur nettoyage et réduit considérablement leur encombrement.

Pour ce type de montage, le mur doit également être renforcé structurellement pour supporter les forces exercées. Contrairement au montage In-Wall, la position des appareils est plus flexible, car ils peuvent être déplacés via différents systèmes de montage. Une ou plusieurs articulations rotatives permettent à l’appareil de pivoter autour de son axe, et une connexion murale permet de faire pivoter l’appareil dans la pièce ou de le ramener contre le mur. De plus, les HMI peuvent être positionnés en configuration duplex (double écran) et déplacés selon les besoins, offrant ainsi une grande flexibilité dans la visualisation des contenus.

Il faut également noter que pour ces solutions flexibles, la gestion des câbles se fait en interne, sans câbles visibles à l’extérieur. Les câbles apparents sont difficiles à nettoyer et présentent un risque de contamination. Les raccords doivent impérativement comporter une butée de rotation limitée à 350°, afin d’éviter la torsion interne et d’endommager les câbles d’alimentation et de données.

Dans la majorité des cas, les systèmes de montage sont standardisés, ce qui facilite le remplacement des appareils. De plus, lors du montage On-Wall, les câbles peuvent être hermétiquement introduits dans la salle propre via un raccord étanche, ce qui évite d’ouvrir la salle propre lors du remplacement et facilite le nettoyage post-remplacement.

HMI mobile

Les montages In-Wall et On-Wall sont des solutions classiques offrant un bon rapport coût-efficacité pour des salles propres utilisées de manière continue. Cependant, dans de nombreux cas, ces salles ne sont utilisées que quelques jours par semaine, car la production suivante doit être préparée et la salle nettoyée. Dans ces applications, les HMI ne sont pas utilisés en permanence. Pour ces cas, il est pertinent de considérer une solution mobile (voir Figure 3).

Alimenter un PC par une batterie pour créer une solution mobile pouvant être utilisée selon les besoins n’est pas une idée nouvelle. Cependant, plusieurs points doivent être pris en compte.

La condition essentielle pour une utilisation réussie d’une solution mobile en salle propre est la connexion au réseau. Idéalement, la couverture Wi-Fi doit être complète dans l’environnement de production, garantissant ainsi l’intégrité des données à tout moment. Pour les zones où cela n’est pas possible ou pas souhaité, des connexions LAN physiques via des prises adaptées à la salle propre doivent être installées.

Comme les solutions mobiles sont mécaniquement plus complexes que les solutions fixes, leur nettoyage doit être simple et rapide. Lorsqu’elles sont déplacées d’une salle propre à une autre, la contamination croisée doit impérativement être évitée. Une solution mobile doit donc être conçue pour la salle propre et doit au minimum respecter la classe de protection IP65 pour assurer une facilité de nettoyage.

Lors de l’utilisation de solutions mobiles, il est également crucial que la durée de vie de la batterie soit suffisante pour ne pas devoir retirer l’appareil de la salle pour le recharger. La durée de fonctionnement doit couvrir au moins une ou deux équipes de travail, en tenant compte de la dégradation progressive de la capacité de la batterie. En général, on considère qu’une capacité de 75 % de la batterie est une base réaliste pour plusieurs années d’utilisation. Des technologies de batteries robustes (par exemple AGM - Absorbent Glass Mat Lead Vlies) sont recommandées pour leur haute performance et fiabilité.

La sécurité de l’opérateur doit également être prise en compte. Les scénarios typiques en environnement de production incluent la chute d’un appareil, le heurt contre un obstacle ou la prise en main involontaire par l’opérateur. Il faut s’assurer que l’appareil ne bascule pas ou ne tombe pas. Une base mobile avec seulement quatre roulettes n’est généralement pas adaptée pour garantir la stabilité.

Grâce aux designs modernes, les solutions mobiles ne se limitent plus à un seul écran, mais existent aussi en version double (duplex) (voir Figure 4). Cela permet à l’opérateur d’afficher plusieurs applications simultanément sur un seul appareil.

Une autre évolution vers une solution entièrement adaptée aux salles propres est l’élimination des câbles de recharge et des prises électriques dans la salle propre. Cela est rendu possible par la recharge inductive des batteries, avec plusieurs points de recharge répartis dans la salle propre, permettant de charger l’appareil pendant son utilisation (voir Figure 5). Selon la technologie, cette méthode de recharge peut être plus rapide qu’un chargement par câble. Elle permet également de gagner de la place en supprimant l’emplacement dédié au chargement du HMI mobile.

PC tablette

La solution PC tablette (voir Figure 6) est considérée par de nombreux responsables comme la solution la plus économique pour la commande et la visualisation des processus en salle propre. Un PC tablette est très mobile, peu coûteux et facilement remplaçable.

Cependant, il ne s’agit que d’une approche CAPEX (dépenses d’investissement) et elle est rarement partagée par les opérateurs de production. Lorsqu’on évalue cette solution, il faut surtout considérer l’application pour laquelle un PC tablette est plus ou moins adapté. D’après les expériences pratiques avec cette technologie encore relativement récente, ses utilisations les plus pertinentes concernent la maintenance, la mise en service et la présentation de procédures opératoires standard (SOP). La mobilité du tablette est idéale pour ces applications.

Pour d’autres usages, comme la gestion d’un système d’exécution de la fabrication (MES) ou d’un système de contrôle distribué (DCS), la saisie de données est nécessaire. Sur un PC tablette, cette saisie s’effectue via un clavier à l’écran, ce qui occupe de la place sur l’écran.

Par conséquent, la lisibilité est compromise, et le PC tablette devient une charge et un facteur de risque en production.

Les solutions HMI fixes ou mobiles peuvent être fixées à une position précise, permettant à l’opérateur d’utiliser ses deux mains pour ses tâches habituelles. Avec un PC tablette, il faut créer un support spécifique ou porter l’appareil en permanence. Si l’appareil reste en main, les opérations de scan deviennent fatigantes en raison d’une ergonomie inférieure à celle d’un scanner manuel, et le couplage avec un scanner rend la saisie de données difficile, car les deux mains sont occupées.

Il faut également considérer la compatibilité des PC tablette en salle propre. Un produit destiné à un usage privé ne peut être utilisé en salle propre qu’avec des accessoires spéciaux, comme un boîtier en acier inoxydable. Sans protection, la facilité de nettoyage est compromise ou impossible, notamment à cause des ports ouverts (Micro-USB) qui doivent être nettoyés minutieusement. La compatibilité avec les produits de nettoyage courants dans l’industrie pharmaceutique ou biotechnologique doit être vérifiée au cas par cas.

Un autre point souvent négligé est le cycle de vie du produit commercial. Les tablettes utilisées ont des cycles de remplacement plus courts que les appareils industriels, ce qui signifie qu’après un test réussi, une qualification et un processus d’achat, la tablette choisie sera probablement remplacée par un modèle de succession.

Enfin, il faut également prévoir où et comment recharger ces PC tablette. La durée de vie de la batterie en utilisation normale ne suffira probablement pas pour une équipe complète. Si la recharge doit s’effectuer en salle propre, les stations de recharge doivent être elles aussi facilement nettoyables, et un espace de chargement doit être prévu pour les PC tablette. Si la recharge a lieu hors salle propre, l’appareil doit répondre aux exigences de nettoyabilité GMP pour pouvoir être facilement introduit dans la salle propre et en sortir.

Production LEAN

Un autre aspect souvent peu pris en compte lors du choix et de la position des appareils HMI est leur intégration dans une production lean (efficace). En comparant le diagramme spaghetti (voir Figure 7) pour les HMI fixes et mobiles, on constate que la saisie des données au point d’apparition des informations est beaucoup plus efficace et simplifie le processus. Lorsqu’elle est combinée à une authentification biométrique de l’utilisateur, cette méthode augmente significativement la productivité.

Santé, environnement & sécurité (EHS - Environment, Health & Safety)

Dans la considération EHS, il faut prendre en compte la sécurité des appareils, leur facilité de nettoyage, la compatibilité environnementale des matériaux utilisés et surtout l’ergonomie. Il est essentiel que les appareils soient non seulement conformes aux normes technologiques actuelles, mais aussi fabriqués de manière sûre et durable. En matière de durabilité, l’utilisation de composants sans plomb et de soudures sans plomb est désormais la norme, tout comme le respect du règlement REACH (enregistrement, évaluation, autorisation et restriction des produits chimiques).

Concernant la santé, la facilité de nettoyage avec les produits spécifiques à la production doit être assurée par la conception, le choix des matériaux et la structure de surface. Une surface en acier inoxydable grossièrement poncée n’est pas adaptée, et il faut veiller à ce que les surfaces planes ne favorisent pas l’accumulation de liquides ou de poussières. Ces mesures garantissent que, ultérieurement, les opérateurs ne seront pas en contact avec des surfaces contaminées ou des substances actives hautement actives présentes sur les surfaces.

En matière de sécurité, il faut éviter au maximum les angles à 90°, afin de réduire le risque de blessure pour l’opérateur. Les claviers doivent dépasser vers l’avant pour une utilisation optimale, mais cela augmente le risque de collision avec l’opérateur. La meilleure solution est que les claviers puissent être pivotés hors du champ de mouvement de l’opérateur. Les solutions mobiles doivent comporter au moins 5 roulettes pour garantir la stabilité en cas de perte d’une roue, et leur centre de gravité doit être conçu pour éviter tout basculement lors de déplacements sur rampes ou lors de heurts contre des obstacles.

Sonderlösung HMI réglable en hauteur

Souvent, une solution HMI réglable en hauteur est associée à un concept ergonomique pertinent. Pour les anciens modèles d’écrans HMI, cela reste utile, car l’angle de vue ne permet qu’une observation directe de face. Les technologies modernes d’affichage, comme l’In-Plane Switching (IPS), offrent un angle de vue de 178°, et combinées à l’Optical Bonding (liaison sans espace entre l’écran, le tactile et le verre frontal), comme sur les smartphones et tablettes, elles rendent l’écran beaucoup plus lumineux, brillant et contrasté. Ces technologies permettent de se passer d’un montage réglable en hauteur. La compatibilité avec la salle propre est également améliorée, car une solution mécaniquement réglable en hauteur comporte des pièces mobiles qui peuvent compliquer le nettoyage, surtout si le système n’est pas étanche selon la norme IP65.

Sonderlösung pour les systèmes de gestion du bâtiment

Dans l’automatisation des bâtiments, il ne s’agit pas seulement de la gestion décentralisée d’un système de climatisation, mais d’un concept global visant une utilisation efficace de l’énergie, le contrôle d’accès et la mise en place de dispositifs de contrôle pour surveiller les conditions environnementales. Pour l’industrie pharmaceutique et biotechnologique, la demande de documentation sans papier et les exigences de réseau issues de Pharma 4.0 apportent de nouvelles exigences à la gestion du bâtiment. L’interface utilisateur constitue un HMI avec un petit écran, peu puissant, connecté à un serveur central via le réseau, qui interroge les informations à afficher et transmet les entrées de l’opérateur si nécessaire. Pour ces tâches simples, un écran compatible avec une tenue en salle propre, doté d’une connexion réseau et idéalement d’une alimentation intégrée via Power over Ethernet (PoE), suffit. Cela minimise les coûts de montage et de câblage. Comme la puissance de calcul est fournie par le serveur, il n’est pas nécessaire d’utiliser du matériel performant, et l’utilisation d’un Thin Client est recommandée. Ces écrans peuvent être montés de façon à être parfaitement intégrés à la surface du mur, garantissant une protection IP65. En cas de panne, ils doivent pouvoir être facilement retirés par l’opérateur.

Épilogue

Les exigences pour les HMI dans les environnements de production pharmaceutique et biotechnologique sont variées et exigeantes. Les solutions doivent être flexibles, adaptables aux exigences strictes des Bonnes Pratiques de Fabrication (GMP) et compatibles avec leur qualification. Les besoins des opérateurs doivent être aussi prioritaires que leur adéquation à l’environnement de production et la facilité de nettoyage des appareils. Un HMI représente, en raison de la multiplicité des exigences, un investissement conséquent, mais une planification anticipée et une implication du fabricant dans cette planification garantissent un retour sur investissement (RoI) optimal.