Opzioni di montaggio HMI in ambiente sterile

Figura 1: Montaggio a incasso a filo parete senza pannello frontale.

Figura 2: Montaggio a parete con braccio di supporto a U. Diverse accoppiamenti rotanti consentono alla HMI e al braccio di supporto di ruotare di 350°. La gestione dei cavi avviene internamente, in conformità con le norme per le camere bianche.

Figura 3: HMI mobile con batteria potente alla base.

Figura 4: HMI mobile con doppio schermo per la visualizzazione simultanea di più applicazioni.

Figura 5: La ricarica induttiva consente un ambiente sterile senza cavi. Il dispositivo può essere utilizzato durante la ricarica.

Figura 6: Un tablet è particolarmente adatto per l'uso nella manutenzione e messa in funzione, e per la produzione di procedure operative standard (SOP) nelle camere bianche.

Figura 7: Illustrazione dell'ottimizzazione del flusso di lavoro e della riduzione delle distanze percorse attraverso l'uso di un HMI mobile.

Figura 8: Un'interfaccia utente di sistemi di automazione degli edifici rappresenta un HMI con un display di solito di piccole dimensioni e potenza di calcolo limitata.

Montaggio a parete

Preâmbolo

Nell'ambiente di processo moderno dell'industria farmaceutica e biotech, il controllo e la visualizzazione dei processi non sono più immaginabili senza postazioni uomo-macchina (Human-Machine-Interface o HMI). Le esigenze aggiuntive di una produzione senza carta e di autenticazione biometrica degli operatori aumentano ulteriormente i requisiti delle HMI negli ambienti di produzione.

È quindi essenziale integrare fin dall'inizio le HMI nel concetto di produzione e nella pianificazione dei processi operativi correlati. Questa integrazione include anche la pianificazione della posizione e del montaggio dei sistemi, affinché siano raggiungibili e gestibili in modo ergonomico dall'operatore.

Per l'integrazione nei concetti e nelle pianificazioni esistenti, la flessibilità delle soluzioni di montaggio è di grande importanza, poiché lo spazio, specialmente in aree di applicazione con requisiti igienici elevati, è prezioso.

Varianti di montaggio

Se si considerano le condizioni locali in diversi settori di produzione dell'industria biotech e farmaceutica, si nota rapidamente che quasi tutte le HMI sono montate a parete o dal soffitto. Ciò semplifica l'alimentazione e il cablaggio per la connessione dati e l'alimentazione, eliminando la necessità di raccordi filettati nei tubi di montaggio. Il montaggio a terra è meno comune, poiché l'alimentazione tramite raccordi esterni è scarsamente accettata. In questo caso, non solo i raccordi devono essere puliti, ma anche i cavi installati o il canale di cablaggio utilizzato.

Ma sono possibili anche soluzioni in cui né il soffitto né la parete possono sostenere il peso della HMI, con la parte critica del carico eseguita a terra, mentre l'alimentazione avviene tramite il soffitto o la parete. Anche se questa soluzione può sembrare meno elegante, è comunque pragmatica e completamente adatta all'ambiente sterile.

Montaggio a parete

Quando le condizioni lo consentono, il montaggio a parete è la soluzione più semplice, ma richiede, a causa del peso della HMI, un rinforzo meccanico della parete del locale sterile. Questo è indispensabile per assorbire le forze generate e garantire un'installazione sicura e durevole.

Nel montaggio a parete si distinguono fondamentalmente due varianti: il montaggio In-Wall (nella parete) e il montaggio On-Wall (sulla parete).

Montaggio In-Wall

Questa è la variante classica di montaggio (vedi figura 1), dovuta alla forma compatta delle generazioni più vecchie di HMI. Si crea un'apertura nella parete del locale sterile e si definisce un modello di foratura con rinforzo. Di solito, il dispositivo viene inserito con una piastra frontale con perni saldati e avvitato posteriormente. Il vantaggio di questa soluzione è la facilità di montaggio e l'integrazione del dispositivo a filo della parete, anche se il telaio di montaggio lascia un bordo potenzialmente sporco. Per dispositivi touch semplici, questa rimane una soluzione comune, anche se presenta alcuni svantaggi. Da considerare sono i seguenti punti:

La configurazione di foratura nella parete è specifica per dispositivo e modello. Una modifica del produttore sul dispositivo può comportare un intervento massiccio nel locale sterile per modificare l'apertura di montaggio e adattarla alle nuove dimensioni del dispositivo.

Il montaggio con piastra frontale e perni richiede la possibilità di accedere al retro della parete sterile per poter sostituire il dispositivo in caso di riparazione.

Inversione di questa logica implica che, in caso di riparazione, il locale sterile debba essere aperto, con conseguenti ulteriori operazioni di sigillatura e pulizia. Questo processo è sia amministrativamente complesso sia pesante in termini di utilizzo dello spazio.

Esistono soluzioni per minimizzare questo sforzo, come l'inserimento di una vaschetta di montaggio nella parete, sigillata ermeticamente, ma ciò riduce solo lo sforzo di sostituzione del dispositivo, non le problematiche legate alle dimensioni del foro specifico del dispositivo.

In generale, questa soluzione è compatta e salvaspazio, ma comporta un elevato sforzo di montaggio e può risultare costosa e lunga in caso di guasto del dispositivo.

Montaggio On-Wall

La soluzione preferita in molti casi, più flessibile, è il montaggio della HMI sulla parete (vedi figura 2). Questa soluzione si è affermata negli ultimi anni rispetto al montaggio In-Wall, grazie al progresso tecnologico che permette dispositivi più leggeri, più piccoli e più sottili. Ciò consente una facile pulizia e un ingombro molto ridotto.

Anche per questa modalità di montaggio, la parete deve essere strutturalmente rinforzata per assorbire le forze generate. A differenza del montaggio In-Wall, la posizione dei dispositivi è più flessibile, poiché non si tratta di una fissazione rigida, ma di sistemi di montaggio che permettono di spostare i dispositivi. Dispositivi con una o più rotazioni consentono di ruotare il dispositivo attorno alla propria asse, e tramite un collegamento alla parete, è possibile ruotarlo verso l’interno del locale o verso la parete stessa. Inoltre, le HMI possono essere posizionate e movimentate come configurazioni duplex (doppi schermi), offrendo all’operatore massima flessibilità nella visualizzazione dei contenuti.

È importante anche considerare che, per queste soluzioni flessibili, il cablaggio avviene internamente e i cavi esterni sono evitati, poiché sono difficili da pulire e rappresentano un rischio di contaminazione. Le connessioni devono essere dotate di un arresto di rotazione, limitato a circa 350°, per evitare torsioni interne e danni alle linee di alimentazione e dati.

In quasi tutti i casi, i sistemi di montaggio sono standardizzati, rendendo i dispositivi intercambiabili, facilitando la sostituzione in caso di necessità. Inoltre, le linee di alimentazione dei dispositivi possono essere inserite ermeticamente nel locale sterile tramite raccordi, senza dover aprire il locale in caso di sostituzione, facilitando la pulizia post-intervento.

HMI mobile

Le modalità di montaggio In-Wall e On-Wall sono soluzioni classiche che offrono un buon rapporto qualità-prezzo per ambienti di produzione utilizzati praticamente in modo continuo. Tuttavia, in molti casi, i locali sterili vengono utilizzati solo alcuni giorni alla settimana, poiché il passo successivo di produzione deve essere preparato e il locale deve essere pulito. In queste applicazioni, gli HMI non sono utilizzati in modo continuativo. Per queste esigenze, si può considerare una soluzione moderna, ovvero gli HMI mobili (vedi figura 3).

Alimentare un PC tramite una batteria e creare così una soluzione mobile, utilizzabile a seconda delle necessità, non è una novità. Tuttavia, ci sono diversi aspetti da considerare.

Il requisito più importante per l’uso efficace di un HMI mobile nel locale sterile è la connessione alla rete. Idealmente, la copertura Wi-Fi nel sito di produzione è completa, garantendo l'integrità dei dati in ogni momento. Per aree in cui ciò non è possibile o non è desiderato, devono essere predisposte connessioni LAN fisiche tramite prese compatibili con ambienti sterili.

Poiché le soluzioni mobili sono più complesse dal punto di vista meccanico rispetto a quelle fisse, è fondamentale che siano facili e rapide da pulire. Se devono essere spostate tra locali sterili, è essenziale prevenire la contaminazione incrociata. La soluzione mobile deve essere progettata per l'ambiente sterile e almeno conforme alla classe di protezione IP65, per garantire la pulibilità.

Durante l'uso, l’operatore non deve dover rimuovere il dispositivo dal locale per ricaricare la batteria; quindi, una lunga durata della batteria è un requisito imprescindibile. Considerando che il turno di produzione può durare 8 ore in ambienti di lingua tedesca e fino a 12 ore in altri, una batteria che perde potenza nel tempo non può essere considerata ideale. Per garantire che il dispositivo possa coprire uno o più turni, si considera una capacità residua del 75% come base di calcolo, anche dopo anni di utilizzo. Tecnologie di batteria robuste (ad esempio AGM - Absorbent Glass Mat Lead Vlies) sono preferibili per affidabilità e alte prestazioni.

La sicurezza dell’operatore deve essere sempre considerata. Scenario tipico è la perdita di una ruota, l’urto contro un ostacolo o il trattenimento del dispositivo da parte dell’operatore. In ogni caso, il dispositivo non deve ribaltarsi o cadere. Una base mobile con solo quattro ruote montate non è generalmente sicura.

Grazie a design moderni, le soluzioni mobili sono ora disponibili anche come configurazioni a doppio schermo (duplex) (vedi figura 4), consentendo all’operatore di visualizzare più applicazioni contemporaneamente.

Un ulteriore passo verso una soluzione completamente sterile è l’eliminazione del cavo di ricarica e delle prese di corrente nel locale sterile, grazie alla ricarica induttiva delle batterie. Vengono distribuiti uno o più punti di ricarica nel locale, che caricano il dispositivo durante l’uso (vedi figura 5). Questa soluzione, a seconda della tecnologia, può essere più veloce rispetto a un sistema di ricarica cablato. Inoltre, permette di risparmiare spazio, eliminando il posto dedicato alla ricarica del dispositivo mobile.

Tablet PC

La soluzione con Tablet PC (vedi figura 6) è considerata da molti come la più economica per il controllo e la visualizzazione dei processi in ambiente sterile. Un Tablet PC è altamente mobile, economico e facilmente sostituibile.

Tuttavia, questa è una visione puramente CAPEX (Capital Expenditure) e viene condivisa raramente dagli operatori di produzione. È importante valutare l’applicazione specifica: per quali funzioni un Tablet PC è più o meno adatto. Dalle applicazioni pratiche di questa tecnologia relativamente recente emergono soprattutto usi utili nella manutenzione, nell’avviamento e nella presentazione di procedure operative standard (SOP). Per queste applicazioni, la mobilità del Tablet è ideale.

Altre applicazioni, come il controllo di un Manufacturing Execution System (MES) o di un Distributed Control System (DCS), richiedono capacità di inserimento dati. Questa operazione avviene tramite la tastiera su schermo, che occupa spazio sul display.

Di conseguenza, la chiarezza visiva può risultare compromessa e il Tablet diventa un elemento di disturbo e di rischio in produzione.

Le soluzioni fisse e mobili di HMI possono essere fissate in una posizione specifica, permettendo all’operatore di usare entrambe le mani per le attività di routine. Con un Tablet, invece, bisogna prevedere un supporto speciale o portarlo continuamente con sé. Se il dispositivo rimane in mano, le operazioni di scansione con il Tablet sono più faticose rispetto a uno scanner portatile, e l’accoppiamento con uno scanner manuale può complicare l’inserimento dei dati, poiché entrambe le mani sono occupate.

Inoltre, bisogna considerare la compatibilità del Tablet con l’ambiente sterile. Un dispositivo destinato all’uso domestico può essere reso sterile solo con strumenti specifici, come un involucro in acciaio inossidabile. Se il Tablet non è protetto, la pulibilità richiesta potrebbe non essere garantita o richiedere sforzi estremi, poiché anche porte aperte (Micro-USB) devono essere pulite con attenzione. La compatibilità con i detergenti utilizzati in pharma e biotech deve essere verificata singolarmente.

Un altro aspetto spesso trascurato è il ciclo di vita del prodotto commerciale. I Tablet usati sono soggetti a cicli di aggiornamento più rapidi rispetto a un prodotto industriale, e quindi è probabile che, dopo test, qualificazioni e acquisti, il Tablet scelto venga sostituito con un modello successivo.

Infine, bisogna chiarire dove e come ricaricare i Tablet. La durata della batteria in uso normale potrebbe non coprire un’intera giornata di lavoro. Se la ricarica deve avvenire nel locale sterile, le stazioni di ricarica devono essere facilmente pulibili e predisposte con appositi spazi per i Tablet. Se la ricarica avviene fuori dal locale sterile, il Tablet stesso deve soddisfare i requisiti di pulibilità GMP, per poter essere facilmente introdotto e rimosso dal locale.

Produzione snella (LEAN)

Un altro aspetto spesso trascurato nella scelta e nel posizionamento delle HMI è la pianificazione come parte integrante di una produzione snella (LEAN). Confrontando il diagramma spaghetti (vedi figura 7) per HMI fisse e mobili, si nota che l’inserimento dei dati nel punto di origine è molto più efficace e snellisce ulteriormente il processo. Se questa operazione è combinata con un’autenticazione biometrica dell’utente, si ottiene un aumento significativo della produttività.

Sicurezza ambientale, salute e sicurezza (EHS - Environment, Health & Safety)

Nel considerare gli aspetti EHS, devono essere presi in considerazione punti come la sicurezza del dispositivo, la pulibilità, la compatibilità ambientale dei materiali utilizzati e, soprattutto, l’ergonomia. È importante che i dispositivi non siano solo conformi alle tecnologie attuali, ma siano anche prodotti in modo sicuro e sostenibile. Per quanto riguarda la sostenibilità, l’uso di componenti senza piombo e di saldature senza piombo è ormai standard, così come il rispetto delle normative REACH (Registrazione, Valutazione, Autorizzazione e Restrizione delle sostanze chimiche).

Per la salute, la facile pulizia con detergenti specifici del settore deve essere supportata dal design dei dispositivi, dai materiali e dalla struttura delle superfici. Superfici in acciaio inossidabile ruvide sono inadatte, e anche nella progettazione bisogna evitare superfici piane che favoriscano l’accumulo di liquidi e polveri. Solo così si garantisce che gli operatori non entrino in contatto con superfici contaminate o con sostanze attive residue.

Per la sicurezza, in particolare nel design dei dispositivi, si deve evitare il più possibile l’uso di angoli a 90°, per ridurre il rischio di infortuni. Le tastiere devono sporgere in avanti rispetto al dispositivo, ma questo aumenta il rischio di collisione con l’operatore. Se le tastiere possono essere ruotate dal campo di movimento dell’operatore, questa è la soluzione preferibile. Le soluzioni mobili devono avere almeno 5 ruote per garantire stabilità e sicurezza contro il ribaltamento, e un peso eccessivo sulla parte superiore può creare problemi durante il movimento su rampe o ostacoli.

Soluzione speciale: HMI regolabile in altezza

Spesso si associa una soluzione di montaggio HMI regolabile in altezza a un concetto ergonomico sensato. Per le vecchie soluzioni di display HMI, questa può essere utile, poiché l’angolo di visione frontale è l’unico possibile. Le tecnologie più recenti, come l’In-Plane Switching (IPS), permettono angoli di visione di 178°, e, grazie alla tecnologia di Optical Bonding (collegamento senza spazi tra display, touch e vetro frontale), come nei smartphone e tablet, il display risulta molto più luminoso, brillante e con contrasto superiore. Queste tecnologie eliminano la necessità di montaggi regolabili in altezza. La compatibilità con ambienti sterili è migliorata, anche se un sistema meccanico regolabile in altezza può comportare parti mobili che compromettono la pulibilità, specialmente se non è un sistema IP65 chiuso.

Soluzione speciale per sistemi di building management

Per l’automazione degli edifici, non si tratta solo di controllare un impianto di climatizzazione decentralizzato, ma di un concetto globale per un utilizzo efficiente dell’energia, il controllo degli accessi e la gestione delle condizioni ambientali. Per l’industria farmaceutica e biotech, le esigenze di documentazione senza carta e di integrazione di Pharma 4.0 introducono ulteriori requisiti di gestione degli edifici. L’interfaccia utente rappresenta un HMI con display di piccole dimensioni e bassa potenza di calcolo, collegato tramite rete a un server centrale che fornisce le informazioni e riceve gli input dell’operatore. Per queste funzioni semplici, basta un display compatibile con abbigliamento sterile, con connessione di rete e, idealmente, alimentato tramite Power over Ethernet (PoE). Questo riduce al minimo i costi di montaggio e cablaggio. Poiché la potenza di calcolo è fornita dal server, si può usare hardware meno potente e raccomandare l’uso di un Thin Client. Questi display possono essere montati senza rinforzi sulla parete, sigillati IP65, e devono essere facilmente rimovibili in caso di guasto.

Epilogo

Le esigenze di HMI negli ambienti di produzione dell’industria farmaceutica e biotech sono molteplici e complesse. Le soluzioni devono essere flessibili, conformi alle normative GMP e facilmente qualificabili. È importante considerare le esigenze degli operatori, l’idoneità all’ambiente di produzione e la facilità di pulizia dei dispositivi. Data la varietà di requisiti, un investimento in HMI rappresenta un impegno significativo che, se pianificato con anticipo e coinvolgendo il produttore, può garantire un ritorno sull’investimento (RoI) ottimale.