HMI Montageoptionen im Reinraum

Abbildung 1: Flächenbündige In-Wall Montage ohne Frontplatte. / Figure 1: Flush in-wall assembly without front panel.

Abbildung 2: On-Wall Montage am U-Rohr-Tragarm. Mehrere drehbare Kupplungen erlauben die Rotation des HMI und des Tragarms um 350°. Die Kabelführung erfolgt reinraumkonform intern. / Figure 2: On-wall assembly using U-pipe support arm. Several rotatable couplings enable the HMI and support arm to rotate by 350°. The cables are routed internally as per cleanroom requirements.

Abbildung 3: Mobiles HMI mit leistungsstarkem Akku im Fuß. / Figure 3: Mobile HMI with powerful battery in base.

Abbildung 4: Mobiles HMI mit Doppel-Display zur zeitgleichen Darstellung mehrerer Applikationen. / Figure 4: Mobile HMI with dual-screen display for viewing several applications at once.

Abbildung 5: Induktives Laden ermöglicht einen Reinraum ohne Kabel. Das Gerät kann während des Ladevorgangs bedient werden. / Figure 5: Inductive charging eliminates the need for cables in a cleanroom. The device can be operated while it is being charged.

Abbildung 6: Ein Tablet eignet sich besonders für Anwendungen in der Wartung, Inbetriebnahme und bei der Vorlage von Standard Operation Procedures (SOP) im Reinraum. / Figure 6: A tablet is particularly suitable for use in maintenance and commissioning, and for producing standard operation procedures (SOP) in cleanrooms.

Abbildung 7: Darstellung der Ablaufoptimierung und Reduzierung der Laufwege durch die Nutzung eines mobilen HMI. / Figure 7: Illustration of workflow optimization and reduction of walking distances covered through use of a mobile HMI.

Abbildung 8: Das User-Interface von Building Automation Systemen stellt ein HMI mit meist kleinem Display und geringer Rechenleistung dar. / Figure 8: An HMI with a usually small display and limited computing power is used for the user interface of building automation systems.

Wandmontage

Präambel

In der modernen Prozessumgebung der Pharma- und Biotechindustrie ist die Steuerung und Visualisierung von Prozessen ohne Mensch-Maschine Bedienstationen (Human-Machine-Interface oder HMI) nicht mehr denkbar. Die zusätzlichen Anforderungen an eine papierlose Produktion und die biometrische Authentifizierung der Bediener erhöhen die Anforderungen an HMI in Produktionsumgebungen weiter.

Es ist daher zwingend erforderlich, das HMI von Beginn an in das Produktionskonzept und die Planung der prozessbedingten betrieblichen Abläufe integriert werden. Zu dieser Integration gehört auch die Planung der Position und der Montage der Systeme, damit diese vom Bediener ergonomisch sinnvoll erreicht und bedient werden können.

Für die Integration in bestehende Konzepte und Planungen ist die Flexibilität der Montagelösungen von hoher Wichtigkeit, denn Platz, besonders in hygienisch anspruchsvollen Einsatzgebieten, ist kostbar.

Montagevarianten

Wenn man in verschiedenen Produktionsbereichen in der Biotech- und Pharmaindustrie die gegebenen örtlichen Voraussetzungen betrachtet, so erkennt man schnell, dass fast alle HMI an der Wand oder von der Decke montiert werden. Dies vereinfacht die hygienisch einwandfreie Zuführung der Verkabelung für Datenanbindung und Spannungsversorgung und eliminiert den Bedarf an Kabelverschraubungen in den Montagerohren. Die Bodenmontage wird eher selten gewählt, da die Zuführung der Kabel über externe Kabelverschraubungen kaum Akzeptanz findet. Bei dieser Montageart müssen dann nicht nur die Kabelverschraubungen, sondern auch die verlegten Kabel oder der verwendete Kabelkanal gereinigt werden.

Aber auch Lösungen bei denen weder die Decke noch die Wand eine Möglichkeit bieten um die Traglast der HMI aufzunehmen sind möglich, wobei dann der lastkritische Teil als Bodenmontage ausgeführt wird, die Kabelzuführung jedoch über die Decke oder die Wand erfolgt. Auch wenn das auf den Betrachter weniger elegant wirkt ist die Lösung dennoch pragmatisch und voll reinraumtauglich.

Wandmontage

Wo die Gegebenheiten es zulassen ist eine Wandmontage die einfachste Lösung, erfordert jedoch, bedingt durch das Eigengewicht des HMI, eine mechanische Verstärkung der Reinraumwand. Dies ist zwingend notwendig um die auftretenden Kräfte abzufangen und somit eine sichere und langlebige Installation zu gewährleisten.

Bei der Wandmontage unterscheidet man grundsätzlich zwei Varianten, die der In-Wall (In der Wand) und die der On-Wall (Auf der Wand) Montage.

In-Wall Montage

Dies ist die klassische Montagevariante (siehe Abbildung 1), bedingt durch die tiefe Bauform der älteren Generationen von HMI. Dabei wird ein Ausschnitt in die Reinraumwand geschaffen und ein durch das Gerät bestimmtes Bohrmuster mit Verstärkung festgelegt. Das Gerät wird dann im Normalfall mit einer Frontplatte mit aufgeschweißten Stehbolzen eingelassen und von hinten verschraubt. Der Vorteil dieser Lösung ist, dass sie einfach zu montieren ist und das Gerät flach in der Wand versenkt ist, wobei der Montagerahmen eine potentielle Schmutzkante zurücklässt. Für einfache Touchgeräte ist dies auch weiterhin eine gängige Montageform, die jedoch mehrere Nachteile birgt. Zu beachten sind bei der Lösung folgende Punkte:

Das Bohrbild in der Wand ist geräte- und modellspezifisch. Eine Änderung des Herstellers am Gerät kann bei Ersatzbedarf einen massiven Eingriff in den Reinraum zur Folge haben um den Montageausschnitt in der Reinraumwand zu ändern und auf das neue Gerätemaß anzupassen.

Eine Montage mit Frontplatte und Stehbolzen bedarf der Möglichkeit an die Rückseite der Reinraumwand zu kommen um im Reparaturfall das Gerät auch ersetzen zu können.

Im Umkehrschluss bedeutet dies auch, dass im Reparaturfall der Reinraum geöffnet werden muss und damit dann auch die weiteren Schritte zur erneuten Versiegelung und Reinigung des Raumes notwendig werden. Ein Vorgang also, der sowohl administrativ aufwendig ist, als auch massive Auswirkungen auf die Nutzung des Raums hat. 

Es gibt Lösungen um diesen Aufwand zu minimieren, indem man zum Beispiel eine Montagewanne in die Wand einlässt und diese hermetisch versiegelt, allerdings reduziert das nur den Aufwand bei einem Austausch des Gerätes, nicht jedoch die Problematik der Ausschnittmaße in der Wand durch die gerätespezifischen Passform.

Insgesamt ist diese Lösung damit eine platzsparende Lösung, die jedoch einen hohen Montageaufwand nach sich zieht und bei einem Geräteausfall zeit- und kostenintensiv für den Anlagenbetreiber ist.

On-Wall Montage

Die in vielen Fällen präferierte, weil flexiblere, Lösung, ist die Montage der HMI auf die Wand (siehe Abbildung 2). Diese Lösung hat sich in den letzten Jahren vermehrt gegenüber der In-Wall Montage durchgesetzt, da der technische Fortschritt die Geräte leichter, kleiner und vor allem flacher bauen lässt. Dies ermöglicht es die Geräte einfach zu reinigen und den Platzbedarf sehr gering zu halten.

Auch für diese Montageart muss die Wand strukturell verstärkt werden um die auftretenden Kräfte abzufangen. Anders als bei der In-Wall Montage ist jedoch die Positionierung der Geräte flexibler, da nicht nur eine starre Positionsfestlegung erfolgt, sondern über die verschiedenen Montagesysteme die Geräte bewegt werden können. Eine oder mehrere drehbare Kupplungen erlauben eine Rotation des Gerätes um die eigene Achse und ergänzend über eine Wandkupplung kann ein Gerät in den Raum hinein gedreht oder zurück an die Wand gedreht werden. Weiterhin können HMI auch als Duplex Konfiguration (Doppelbildschirm) positioniert und bewegt werden. Dies gibt dem Bediener höchste Flexibilität in der Betrachtung der dargestellten Inhalte.

Weiterhin ist zu beachten, dass für diese flexiblen Lösungen die Kabelführung intern erfolgt und keine Kabel von außen sichtbar sind. Außen verlegte Kabel sind immer schlecht zu reinigen und stellen dementsprechend ein Kontaminationsrisiko dar. Bei den Kupplungen muss zwingend darauf geachtet werden, dass die Kupplungen einen Drehanschlag haben, der die Rotation auf maximal 350° begrenzt um ein internes verdrehen, und damit eine Beschädigung, der Zuleitungen für Daten und Spannungsversorgung zu verhindern.

In den allermeisten Fällen sind die Montagesysteme standardisiert und dementsprechend sind die Geräte an dem Montagesystemen austauschbar, was eine Ersatzbeschaffung bei Abkündigung erleichtert. Weiterhin können Gerätezuleitungen bei der On-Wall Montage mit Hilfe einer Kabelverschraubung hermetisch dicht in den Reinraum eingeführt werden. Dies bedeutet, dass im Austauschfall der Reinraum nicht geöffnet wird und dementsprechend eine Reinigung nach Austausch eines HMI nicht zwingend notwendig ist.

Mobile HMI

Die In-Wall und On-Wall Montagearten sind die klassischen Lösungen und bieten einen sehr guten Kosten-Nutzen Faktor bei Reinräumen die praktisch kontinuierlich genutzt werden. In vielen Fällen werden Reinräume aber effektiv nur an wenigen Tagen je Woche genutzt, da der nächste Produktionsschritt vorbereitet und der Raum dafür gereinigt werden muss. In diesen Applikationen werden die HMI dann effektiv nicht genutzt. Für diese Anwendungsfälle ist eine Lösung, die dem heutigen Stand der Technik entspricht zu überlegen, die mobilen HMI (siehe Abbildung 3).

Einen PC über einen Akku zu versorgen und damit eine mobile Lösung zu generieren, die nach Bedarf eingesetzt werden kann, ist nicht neu. Es gibt jedoch mehrere Dinge dabei zu beachten.

Die durchaus wichtigste Voraussetzung für die erfolgreiche Nutzung einer mobilen Lösung im Reinraum ist die Anbindung an das Netzwerk. Idealerweise ist die WLAN Abdeckung im Produktionsumfeld vollumfänglich gegeben und dementsprechend kann die Datenintegrität zu jeder Zeit sichergestellt werden. Für Bereiche in denen das nicht möglich oder nicht gewünscht ist, sollten dann entsprechend physikalische LAN Anbindungen über reinraumtaugliche LAN Buchsen geschaffen werden.      

Da mobile Lösungen in der Mechanik komplexer als fest installierte Lösungen sind, ist ein weiterer Punkt die einfache und schnelle Reinigung der Geräte. Wenn diese von Reinraum zu Reinraum geschoben werden muss eine Cross-contamination (Kreuzkontamination) zwingend verhindert werden. Eine mobile Lösung sollte dementsprechend für den Reinraum entworfen sein und mindestens der Schutzklasse IP65 entsprechen um diese Reinigbarkeit sicher zu stellen.

Bei einem Einsatz der mobilen Lösungen möchte man während der Produktion das Gerät nicht aus dem Raum entfernen müssen um den Akku neu zu laden, dementsprechend ist eine lange Akkulaufzeit ein weiteres zwingendes Merkmal. Es sollte dabei beachtet werden, dass die Schicht in der Produktion 8 Stunden im deutschsprachigen und bis zu 12 Stunden im nicht-deutschsprachigen Raum sein kann. Ein Akku verliert im Laufe der Lebensdauer an Leistung, weswegen man nie mit der Idealleistung eines Akkus rechnen sollte. Wenn es darum geht sicher zu stellen, dass das Gerät eine oder mehrere Schichten durchhält sind 75% Kapazität des Akkus eine Rechengrundlage, die auch nach mehreren Jahren Einsatz noch realistisch ist. Idealerweise werden robuste Akku-Technologien (z.B. AGM - Absorbent Glas Mat Blei Vlies) eingesetzt, die eine hohe Leistung und Zuverlässigkeit auszeichnet.

Bei mobilen Lösungen muss auch immer die Sicherheit für den Bediener mit beachtet werden. Typische Szenarien in Produktionsumgebungen sind der Verlust einer Rolle am Fuß des Gerätes, das Auflaufen auf ein Hindernis und das Festhalten am Gerät durch den Bediener. In jedem Fall muss sichergestellt sein, dass das Gerät nicht kippt oder umfällt. Eine mobile Basis mit nur vier montierten Rollen ist dazu grundsätzlich ungeeignet.

Durch moderne Produktdesigns sind mobile Lösungen nicht mehr nur mit einem Display, sondern mittlerweile auch als Doppel-Display (Duplex) Lösung (siehe Abbildung 4) verfügbar. Dies ermöglicht es dem Bediener mehrere Applikationen zur gleichen Zeit auf einem Gerät darzustellen.

Eine weitere Entwicklung hin zu einer vollumfänglich reinraumtauglichen Lösung ist der Verzicht auf Ladekabel und damit auch der Wegfall von Steckdosen im Reinraum. Dies wird durch eine induktive Ladung der Akkus ermöglicht. Dabei werden ein oder mehrere Ladepunkte im Reinraum verteilt und damit das Gerät während der Bedienung geladen (siehe Abbildung 5). Die Lösung lädt beim heutigen Stand der Technik, je nach Ausführung, im Vergleich schneller als eine kabelgebundene Ladevorrichtung. Weiterhin kann dadurch auch Platz gespart werden, da der zugewiesene Stellplatz für das mobile HMI zum Laden entfällt.

Tablet PC

Die Tablet PC Lösung (siehe Abbildung 6) wird von vielen Verantwortlichen als die kostengünstigste Lösung für die Steuerung und Visualisierung von Prozessen im Reinraum gesehen. Ein Tablet PC ist höchst-mobil, preisgünstig und einfach ersetzbar.

Allerdings ist dies eine reine CAPEX (Capital Expenditure) Sichtweise und wird von den Produktionsmitarbeitern nur äußerst selten geteilt. Bei den verschiedenen Sichtweisen muss man vor allem die Anwendung im Blick haben, für die ein Tablet PC besser oder schlechter geeignet ist. Aus den  Praxisanwendungen der noch relativ neuen Technologie ergeben sich vor allem sinnvolle Anwendungen in der Wartung, der Inbetriebnahme und bei der Vorlage von Standard Operating Procedures (SOP). Für diese Applikationen ist die Mobilität des Tablets perfekt.

Andere Anwendungen, wie die Bedienung eines Manufacturing Execution Systems (MES) oder eines Distributed Control Systems (DCS) benötigen Möglichkeiten zur Dateneingabe. Diese Dateneingabe erfolgt beim Tablet PC über ein On-Screen Keyboard, welches seinerseits Platz auf dem Display benötigt.

Dementsprechend ist die Übersichtlichkeit nicht mehr gegeben und das Tablet PC wird zur Belastung und zum Risikofaktor in der Produktion.

Fest installierte und mobile HMI Lösungen können in einer bestimmten Position fixiert werden, was dem Bediener ermöglicht beide Hände für seine normalen Arbeitsaufgaben zu verwenden. Bei einem Tablet PC muss eine spezielle Ablage geschaffen werden, oder das Gerät vom Bediener weiter getragen werden. Wenn das Gerät in der Hand verbleibt, werden Scanvorgänge mit dem Tablet PC, aufgrund der fehlenden Ergonomie im Vergleich zum Handscanner, belastend und eine Kopplung mit einem Handscanner macht wiederum die Dateneingabe auf dem Tablet schwierig, da beide Hände belegt sind.

Weiterhin muss die Verwendbarkeit von Tablet PCs im Reinraum generell betrachtet werden. Ein Produkt für den privaten Endanwender kann nur durch spezielle Hilfsmittel, wie die Einhausung in ein Edelstahlgehäuse, für den Reinraum nutzbar gemacht werden. Wird ein Tablet PC nicht geschützt, so ist die zwingend erforderliche Reinigbarkeit entweder nicht gegeben oder nur unter extrem hohen Aufwand umsetzbar, da zum Beispiel auch offene Ports (Micro-USB) penibel gereinigt werden müssen. Inwieweit dann gängige Reinigungsmittel aus der Pharma- und Biotechindustrie verwendet werden können muss einzeln geprüft werden.

Ein weiterer, oftmals nicht beachteter Punkt, ist der Produktlebenszyklus eines kommerziellen Produktes. Die verwendeten Tablets sind damit kürzeren Zyklen unterworfen als ein Industrieprodukt und somit ist es nicht unwahrscheinlich, dass nach erfolgreichem Test, Qualifikation und Beschaffungsprozess das ausgewählte Tablet durch ein Nachfolgeprodukt ersetzt wird.

Und als letzter Punkt muss geklärt werden wo und wie die Tablet PCs wieder aufgeladen werden. Die Akkulaufzeit eines Tablet PCs bei normaler Nutzung wird, je nach Applikation, voraussichtlich nicht für eine volle Schicht reichen.  Soll der Ladevorgang im Reinraum erfolgen, so müssen die Dockingstationen ihrerseits entsprechend reinigbar sein und ein Ladeplatz für die Tablet PCs geschaffen werden. Soll das Wiederaufladen außerhalb des Reinraums geschehen, so muss das Tablet selbst entsprechend die Anforderungen zur GMP-konformen Reinigbarkeit erfüllen um es einfach in den Reinraum aus- und einzuschleusen. 

LEAN Produktion

Ein weiterer Betrachtungspunkt, der bei der Auswahl und Positionierung der HMI Geräte oft nur wenig Beachtung findet, ist die Planung der HMI als integralen Teil einer schlanken (LEAN) Produktion. Wenn man das Spaghetti Diagramm (siehe Abbildung 7) für fest installierte HMI und mobile HMI miteinander vergleicht, so ist die Dateneingabe am Punkt wo die Daten auftreten wesentlich effektiver und verschlankt den Prozess zusätzlich. Wird dieses Prozedere mit einer biometrischen Authentifizierung des Benutzers verbunden, so entsteht eine deutliche Steigerung der Produktivität.

Umwelt Gesundheit & Sicherheit (EHS - Environment Health & Safety)

In den EHS Aspekt der Betrachtung müssen Punkte wie Gerätesicherheit, Reinigbarkeit der Geräte, Umweltverträglichkeit der verwendeten Materialien und vor allem Ergonomie einfließen. Es ist wichtig das Geräte nicht nur dem aktuellen Stand der Technik entsprechen, sondern auch sicher und nachhaltig produziert werden. In Bezug auf die Nachhaltigkeit ist die Verwendung von bleifreien Bauelementen und Lot mittlerweile Stand der Technik, aber auch die Einhaltung der Verordnung für die Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung von Chemikalien (REACH) muss beim Produzenten umgesetzt sein.

In Bezug auf die Gesundheit muss die einfache Reinigung mit den produktionsspezifischen Reinigungsmitteln problemlos möglich sein und durch das Design der Geräte, der Materialbeschaffenheit und Oberflächenstruktur unterstützt werden. Eine grob geschliffene Edelstahloberfläche ist dazu ungeeignet und auch in der Konstruktion ist zu beachten, dass ebene Flächen die Ansammlung von Flüssigkeiten und Stäuben nicht begünstigen. Nur durch diese Maßnahmen ist gesichert, dass Bediener zu einem späteren Zeitpunkt nicht mit kontaminierten Oberflächen oder auf den Oberflächen anhaftenden hochaktiven Wirkstoffen in Kontakt kommen.

Bei der Sicherheit ist vor allem beim Gerätedesign darauf zu achten, dass 90° Winkel möglichst vermieden werden um das Verletzungsrisiko des Bedieners am Gehäuse zu reduzieren. Tastaturen müssen für optimale Bedienung vom Gerät nach vorn weg abstehen, was jedoch in vielen Fällen ein erhöhtes Kollisionsrisiko mit dem Bediener darstellt. Wenn Tastaturen aus dem Laufbereich eines Bedieners geschwenkt werden können, dann ist dies die bevorzugte Lösung. Mobile Lösungen müssen mindestens 5 Rollen aufweisen um eine Sicherheit gegen Kippzustände beim Verlust einer Rolle zu gewährleisten und auch eine Kopflastigkeit der Geräte ist bei der Bewegung über Rampen oder beim Auflaufen auf Hindernisse höchst problematisch.

Sonderlösung Höhenverstellbares HMI

In vielen Fällen wird eine höhenverstellbare HMI Montagelösung mit einem ergonomischen sinnvollen Konzept gleich gesetzt. Bei älteren HMI Displaylösungen ist dies auch sinnvoll, da der Blickwinkel nur eine direkte Betrachtung von vorn ermöglicht. Neuere Displaytechnologien wie das In-Plane Switching (IPS) ermöglichen einen Blickwinkel von 178° auf das Display und in Verbindung mit Optical Bonding (die spaltlose Verbindung zwischen Display, Touch und Frontglas), wie man es von Smartphones und Tablet PCs kennt, ist das Display deutlich heller, brillanter und kontrastreicher. Diese Technologien ermöglichen den Verzicht auf eine höhenverstellbare Montage. Eine deutlich verbesserte Reinraumtauglichkeit ist ebenfalls gegeben, da bei einer mechanisch höhenverstellbaren Lösung immer bewegliche Teile ineinander greifen. Die Reinigbarkeit einer solchen Lösung ist immer sehr kritisch zu bewerten, da es sich in der Regel um kein geschlossenes System nach IP65 Schutzart handelt.

Sonderlösung für Building Management Systeme

Bei der Gebäudeautomatisierung geht es nicht nur um die dezentrale Steuerung einer Klimaanlage, sondern um ein allumfassendes Konzept zur möglichst effektiven Energienutzung, Zugangssteuerung und Einrichtung von Steuerungsmöglichkeiten zur Kontrolle der Umweltbedingungen. Für die Pharma- und Bioindustrie kommen durch die Anforderung der papierlosen Dokumentation und der Vernetzungsanforderungen aus Pharma 4.0 weitere Anforderungen an das Gebäudemanagement hinzu. Das User-Interface stellt dabei ein HMI mit meist kleinem Display und geringer Rechenleistung dar, welches über das Netzwerk an einen zentralen Server angebunden ist und von dort die darzustellenden Informationen abfragt und bei Bedarf die Eingaben des Bedieners weiterleitet. Für diese einfachen Darstellungsaufgaben reicht ein mit Reinraumschutzkleidung bedienbares Display mit Netzwerkanbindung und im Idealfall mit integrierter Spannungsversorgung über Power over Ethernet (PoE). So können montage- und verkabelungsaufwand so gering wie möglich gehalten werden. Da die Rechenleistung vom Server bereitgestellt wird kann auf leistungsfähige Hardware verzichtet und die Verwendung eines Thin Clients empfohlen werden. Im Idealfall lassen sich diese Displays ohne Verstärkung der Reinraumwand so montieren, dass diese bündig mit der Wandoberfläche abschließen und damit einen IP65 Schutz gewährleisten. Bei einem Geräteausfall müssen die Geräte wieder zum Bediener hin entfernbar sein.

Epilog

Die Anforderungen an die HMI in den Produktionsumfeldern der Pharma- und Biotechindustrie sind vielfältig und anspruchsvoll. Dementsprechend müssen die Lösungen flexibel umsetzbar und für die schwierigen Anforderungen von Good Manufacturing Practice (GMP) und der damit verbundenen Qualifizierung einsetzbar sein. Dabei sollten die Bedürfnisse der Bediener ebenso im Vordergrund stehen, wie die eigentliche Eignung für das Produktionsumfeld und die einfache Reinigung der Geräte. Ein HMI stellt, bedingt durch die Vielzahl von Anforderungen, ein nicht unerhebliches Investment dar, was bei rechtzeitiger Planung und durch Einbeziehen des Herstellers in selbige auch sicherstellt, dass der Return on Investment (RoI) optimal ist.