HMI Montageopties in de cleanroom

Figuur 1: Vlakke in-wall montage zonder frontpaneel.

Figuur 2: Wandmontage met U-buissteunarm. Verschillende draaibare koppelingen maken het mogelijk dat het HMI en de steunarm 350° kunnen draaien. De kabelgeleiding verloopt intern volgens de cleanroomnormen.

Figuur 3: Mobiele HMI met krachtige batterij onderaan.

Figuur 4: Mobiele HMI met dubbel scherm voor gelijktijdige weergave van meerdere applicaties.

Afbeelding 5: Inductief laden maakt een kabelvrij cleanroom mogelijk. Het apparaat kan worden bediend tijdens het opladen.

Afbeelding 6: Een tablet is bijzonder geschikt voor gebruik in onderhoud en inbedrijfstelling, en voor het opstellen van standaard operationele procedures (SOP) in cleanrooms.

Figuur 7: Illustratie van de optimalisatie van de workflow en vermindering van de loopafstanden door gebruik van een mobiele HMI.

Afbeelding 8: Het gebruikersinterface van gebouwbeheersystemen bestaat uit een HMI met meestal een klein scherm en beperkte rekenkracht. / Figure 8: An HMI with a usually small display and limited computing power is used for the user interface of building automation systems.

Wandmontage

Voorwoord

In de moderne procesomgeving van de farmaceutische en biotechnologische industrie is de besturing en visualisatie van processen niet meer denkbaar zonder mens-machine-bedieningsstations (Human-Machine-Interface of HMI). De extra eisen aan papierloze productie en biometrische authenticatie van operators verhogen de eisen aan HMI in productieomgevingen verder.

Het is daarom absoluut noodzakelijk om het HMI vanaf het begin te integreren in het productieconcept en de planning van de operationele processen. Tot deze integratie behoort ook de planning van de positie en montage van de systemen, zodat deze ergonomisch zinvol bereikbaar en bedienbaar zijn voor de operator.

Voor de integratie in bestaande concepten en plannen is de flexibiliteit van de montagelösingen van groot belang, aangezien ruimte, vooral in hygiënisch veeleisende gebieden, kostbaar is.

Montagemogelijkheden

Wanneer men in verschillende productiegebieden binnen de biotechnologie- en farmaceutische industrie de lokale omstandigheden bekijkt, ziet men snel dat bijna alle HMIs aan de muur of van het plafond gemonteerd zijn. Dit vereenvoudigt de hygiënisch correcte leiding van de bekabeling voor dataverbinding en stroomvoorziening en elimineert de noodzaak van kabelwartels in de montagestukken. Bodemmontage wordt zelden gekozen, omdat de bekabeling via externe kabelwartels nauwelijks acceptatie vindt. Bij deze montage moeten niet alleen de kabelwartels, maar ook de aangelegde kabels of de gebruikte kabelgoot worden gereinigd.

Maar ook oplossingen waarbij noch het plafond, noch de muur een mogelijkheid bieden om het gewicht van de HMI te dragen, zijn mogelijk, waarbij het lastkritische deel als bodemmontage wordt uitgevoerd, maar de kabeltoevoer via het plafond of de muur plaatsvindt. Hoewel dit minder elegant lijkt, is de oplossing toch pragmatisch en volledig cleanroom-geschikt.

Muurmontage

Waar de omstandigheden het toelaten, is muurmontage de eenvoudigste oplossing, maar vereist, vanwege het eigen gewicht van de HMI, een mechanische versterking van de cleanroommuur. Dit is absoluut noodzakelijk om de krachten op te vangen en zo een veilige en duurzame installatie te garanderen.

Bij muurmontage onderscheidt men in principe twee varianten: de in-de-muur (In-Wall) en de op-de-muur (On-Wall) montage.

In-Wall Montage

Dit is de klassieke montagevariant (zie afbeelding 1), vanwege de diepe bouwvorm van oudere generaties HMIs. Hierbij wordt een uitsparing in de cleanroommuur gemaakt en een boormodel met versteviging vastgesteld. Het apparaat wordt meestal met een voorplaat met opgesoldeerde stiften ingebouwd en van achteren geschroefd. Het voordeel van deze oplossing is dat deze eenvoudig te monteren is en het apparaat vlak in de muur is verzonken, waarbij de montagerand een potentiële vuilrand achterlaat. Voor eenvoudige touch-apparaten blijft dit een gangbare montagevorm, maar het kent meerdere nadelen. Let bij deze oplossing op het volgende:

Het boorpatroon in de muur is apparaat- en modelafhankelijk. Een wijziging van de fabrikant aan het apparaat kan bij vervangingsbehoefte een ingrijpende operatie in de cleanroom vereisen om de montageopening aan te passen aan het nieuwe apparaat.

Een montage met voorplaat en stift vereist dat men toegang heeft tot de achterkant van de cleanroommuur om het apparaat bij reparatie te kunnen vervangen.

Dit betekent ook dat bij reparatie de cleanroom geopend moet worden, waarna verdere stappen voor hersealing en reiniging van de ruimte nodig zijn. Een proces dat zowel administratief complex is als grote impact heeft op het gebruik van de ruimte.

Er zijn oplossingen om deze inspanning te minimaliseren, bijvoorbeeld door een montagbak in de muur te laten integreren en hermetisch af te sluiten, maar dit vermindert alleen de moeite bij het vervangen van het apparaat, niet de problematiek van de uitsparingsmaat in de muur door de apparaat-specifieke pasvorm.

Over het algemeen is deze oplossing ruimtebesparend, maar brengt een hoge montage-inspanning met zich mee en is bij apparaatuitval tijd- en kostintensief voor de procesoperator.

On-Wall Montage

De in veel gevallen preferredere, flexibelere oplossing, is de montage van de HMI op de muur (zie afbeelding 2). Deze oplossing heeft zich de afgelopen jaren meer doorgezet dan de in-de-muur montage, omdat technologische vooruitgang de apparaten lichter, kleiner en vooral platter maakt. Dit maakt het mogelijk de apparaten eenvoudig te reinigen en de ruimtebehoefte zeer gering te houden.

Ook voor deze montage moet de muur structureel versterkt worden om de krachten op te vangen. Anders dan bij in-de-muur montage is de positionering van de apparaten flexibeler, omdat niet alleen een starre positie wordt vastgesteld, maar de apparaten via verschillende montagesystemen verplaatst kunnen worden. Een of meerdere draaibare koppelingen maken een rotatie van het apparaat om de eigen as mogelijk, en via een wandkoppeling kan een apparaat in de ruimte worden gedraaid of terug naar de muur worden gekeerd. Daarnaast kunnen HMIs ook als duplexconfiguratie (dubbelbeeldscherm) worden gepositioneerd en bewogen. Dit geeft de operator maximale flexibiliteit in de weergave van de getoonde inhoud.

Verder moet worden opgemerkt dat voor deze flexibele oplossingen de kabelgeleiding intern plaatsvindt en geen kabels van buiten zichtbaar zijn. Buitenliggende kabels zijn altijd moeilijk te reinigen en vormen daardoor een contaminatierisico. Bij de koppelingen moet dringend worden gelet op een draaischarnier dat de rotatie beperkt tot maximaal 350°, om interne torsie en beschadiging van de dataleidingen en stroomvoorziening te voorkomen.

In de meeste gevallen zijn de montagesystemen gestandaardiseerd en kunnen de apparaten onderling worden uitgewisseld, wat het vervangingsproces vergemakkelijkt bij het beëindigen van de levensduur. Verder kunnen apparaatleidingen bij de on-wall montage hermetisch worden ingeführt via kabelwartels, waardoor bij vervanging de cleanroom niet hoeft te worden geopend en een reiniging na vervanging niet noodzakelijk is.

Mobiele HMI

De in-de-muur en op-de-muur montages zijn de klassieke oplossingen en bieden een zeer goede kosten-batenverhouding voor cleanrooms die praktisch continu worden gebruikt. In veel gevallen worden cleanrooms echter effectief slechts enkele dagen per week gebruikt, omdat de volgende productie stap wordt voorbereid en de ruimte daarvoor wordt gereinigd. In deze toepassingen worden de HMIs dan effectief niet gebruikt. Voor deze scenario’s is een oplossing die aansluit bij de huidige technologische standpunt, het overwegen waard: de mobiele HMIs (zie afbeelding 3).

Een PC van een accu voorzien en zo een mobiele oplossing creëren die naar behoefte kan worden ingezet, is niet nieuw. Maar er zijn verschillende aandachtspunten.

De belangrijkste voorwaarde voor het succesvol gebruik van een mobiele oplossing in de cleanroom is de netwerkverbinding. Idealiter is de Wi-Fi-dekking in de productieomgeving volledig en kan de gegevensintegriteit te allen tijde worden gewaarborgd. Voor gebieden waar dat niet mogelijk of niet wenselijk is, moeten fysische LAN-verbindingen worden aangelegd via cleanroom-geschikte LAN-aansluitingen.

Aangezien mobiele oplossingen mechanisch complexer zijn dan vaste oplossingen, is een ander punt de eenvoudige en snelle reiniging van de apparaten. Als deze van cleanroom naar cleanroom worden geschoven, moet kruiscontaminatie worden voorkomen. Een mobiele oplossing moet daarom voor de cleanroom zijn ontworpen en minimaal voldoen aan beschermingsklasse IP65 om reinigbaarheid te garanderen.

Bij gebruik van mobiele oplossingen wil men tijdens de productie het apparaat niet uit de ruimte hoeven verwijderen om de accu op te laden, dus een lange accuduur is een ander essentieel kenmerk. Het moet worden gerealiseerd dat de ploeg in de productie 8 uur in het Duitstalige gebied en tot 12 uur in niet-Duitstalige gebieden kan zijn. Een accu verliest in de loop van de levensduur capaciteit, dus mag men niet rekenen op de ideale prestaties van een accu. Om zeker te stellen dat het apparaat één of meerdere shifts doorstaat, wordt 75% van de capaciteit van de accu als rekenbasis gehanteerd, wat ook na meerdere jaren gebruik nog realistisch is. Bij voorkeur worden robuuste accu-technologieën gebruikt (bijvoorbeeld AGM - Absorbent Glass Mat loodvlies), die een hoge prestatie en betrouwbaarheid bieden.

Bij mobiele oplossingen moet ook altijd rekening worden gehouden met de veiligheid van de gebruiker. Typische scenario’s in productieomgevingen zijn het verlies van een rol aan de voet van het apparaat, het overrijden op een obstakel en het vasthouden van het apparaat door de operator. In elk geval moet worden verzekerd dat het apparaat niet kantelt of omvalt. Een mobiele basis met slechts vier gemonteerde wielen is daartoe in principe niet geschikt.

Door moderne productontwerpen zijn mobiele oplossingen niet meer alleen met één display beschikbaar, maar tegenwoordig ook als duplex-oplossing (zie afbeelding 4). Dit stelt de operator in staat meerdere applicaties gelijktijdig op één apparaat weer te geven.

Een verdere ontwikkeling naar een volledig cleanroom-geschikte oplossing is het ontbreken van laadkabels en dus ook het wegvallen van stopcontacten in de cleanroom. Dit wordt mogelijk gemaakt door inductief opladen van de accu’s. Een of meerdere laadpunten worden in de cleanroom geplaatst en laden het apparaat tijdens gebruik (zie afbeelding 5). De oplossing laadt, afhankelijk van de uitvoering, sneller dan een bekabelde laadvoorziening en bespaart bovendien ruimte doordat de toegewezen plek voor het mobiele HMI voor het laden niet nodig is.

Tablet PC

De tablet-PC-oplossing (zie afbeelding 6) wordt door veel verantwoordelijken gezien als de kosteneffectiefste oplossing voor de besturing en visualisatie van processen in de cleanroom. Een tablet-PC is uiterst mobiel, betaalbaar en eenvoudig vervangbaar.

Dit is echter een puur CAPEX (kapitaaluitgaven) perspectief en wordt door de productiepersoneel slechts zeer zelden gedeeld. Bij de verschillende zienswijzen moet vooral worden gekeken naar de toepassing waarvoor een tablet-PC beter of slechter geschikt is. Uit praktijktoepassingen van de relatief nieuwe technologie ontstaan vooral zinvolle toepassingen in onderhoud, inbedrijfstelling en bij het presenteren van standaard operationele procedures (SOP). Voor deze toepassingen is de mobiliteit van de tablet perfect.

Andere toepassingen, zoals het bedienen van een Manufacturing Execution System (MES) of een Distributed Control System (DCS), vereisen mogelijkheden tot datainvoer. Deze datainvoer gebeurt bij de tablet-PC via een on-screen toetsenbord, dat op zijn beurt ruimte op het display inneemt.

Daardoor is het overzicht niet meer gegarandeerd en wordt de tablet-PC een belasting en risicofactor in de productie.

Vast geïnstalleerde en mobiele HMI-oplossingen kunnen op een bepaalde positie worden vastgezet, waardoor de operator beide handen kan gebruiken voor zijn normale werkzaamheden. Bij een tablet-PC moet een speciale houder worden gemaakt, of het apparaat wordt door de operator verder gedragen. Als het apparaat in de hand blijft, worden scanprocessen met de tablet-PC, vanwege de ontbrekende ergonomie in vergelijking met een handscanner, belastend en het koppelen aan een handscanner maakt dat datainvoer op de tablet weer moeilijk wordt, omdat beide handen bezet zijn.

Verder moet de inzetbaarheid van tablet-PC’s in de cleanroom in het algemeen worden bekeken. Een product voor de particuliere eindgebruiker kan alleen door speciale hulpmiddelen, zoals een behuizing in roestvrij staal, geschikt worden gemaakt voor gebruik in de cleanroom. Als een tablet-PC niet wordt beschermd, is de noodzakelijk geachte reinigbaarheid niet gegarandeerd of slechts met extreem hoge inspanning mogelijk, omdat bijvoorbeeld open poorten (Micro-USB) nauwkeurig moeten worden gereinigd. In hoeverre gangbare reinigingsmiddelen uit de farmaceutische en biotechnologische industrie kunnen worden gebruikt, moet afzonderlijk worden getoetst.

Een ander, vaak over het hoofd gezien punt, is de levenscyclus van een commercieel product. De gebruikte tablets ondergaan kortere cycli dan industriële producten en het is daarom niet onwaarschijnlijk dat na succesvolle test, kwalificatie en inkoopproces de gekozen tablet wordt vervangen door een opvolgproduct.

En als laatste moet worden verduidelijkt waar en hoe de tablet-PC’s weer worden opgeladen. De accuduur van een tablet-PC bij normaal gebruik zal, afhankelijk van de toepassing, waarschijnlijk niet voldoende zijn voor een volledige shift. Als het opladen in de cleanroom moet plaatsvinden, moeten de dockingstations zelf ook reinigbaar zijn en moet een laadplek voor de tablet-PC’s worden ingericht. Als het opladen buiten de cleanroom plaatsvindt, moet de tablet zelf voldoen aan de eisen voor GMP-conforme reinigbaarheid om eenvoudig in- en uit de cleanroom te kunnen worden gebracht.

LEAN productie

Een andere overweging die bij de keuze en positionering van de HMI-apparaten vaak weinig aandacht krijgt, is de planning van de HMI als integraal onderdeel van een slanke (LEAN) productie. Wanneer men het spaghetti-diagram (zie afbeelding 7) vergelijkt voor vaste en mobiele HMIs, blijkt dat datainvoer op het punt waar de gegevens ontstaan veel efficiënter is en het proces verder versimpelt. Wanneer deze procedure wordt gekoppeld aan biometrische authenticatie van de gebruiker, ontstaat een duidelijke verhoging van de productiviteit.

Milieu, Gezondheid & Veiligheid (EHS - Environment, Health & Safety)

In het EHS-aspect van de overweging moeten punten zoals apparaatveiligheid, reinigbaarheid van de apparaten, milieuvriendelijkheid van gebruikte materialen en vooral ergonomie worden meegenomen. Het is belangrijk dat de apparaten niet alleen voldoen aan de huidige technologische stand, maar ook veilig en duurzaam worden geproduceerd. Wat betreft duurzaamheid is het gebruik van loodvrije componenten en soldeer inmiddels standaard, maar ook de naleving van de verordening voor registratie, beoordeling, toelating en beperking van chemicaliën (REACH) moet door de fabrikant worden geïmplementeerd.

Wat betreft gezondheid moet eenvoudige reiniging met de productie-specifieke reinigingsmiddelen probleemloos mogelijk zijn en worden ondersteund door het ontwerp van de apparaten, het materiaal en de oppervlaktestructuur. Een grof geslepen roestvrijstalen oppervlak is daarvoor niet geschikt en ook in de constructie moet worden gelet op vlakke oppervlakken die de ophoping van vloeistoffen en stof niet bevorderen. Alleen door deze maatregelen is gewaarborgd dat operators op een later tijdstip niet in contact komen met besmette oppervlakken of op de oppervlakken aanwezige actieve stoffen.

Wat veiligheid betreft, moet vooral bij het ontwerp van het apparaat worden gelet op het vermijden van hoeken van 90° om het risico op verwondingen voor de gebruiker aan de behuizing te verminderen. Toetsenborden moeten voor optimale bediening naar voren uitsteken, wat echter in veel gevallen een verhoogd risico op botsingen met de operator met zich meebrengt. Als toetsenborden uit het bereik van de operator kunnen worden gekanteld, is dat de voorkeuroplossing. Mobiele oplossingen moeten minimaal 5 wielen hebben om stabiliteit te garanderen bij het verlies van een wiel, en een te grote belasting aan de kop van de apparaten is bij beweging over hellingen of bij het overrijden van obstakels zeer problematisch.

Speciaaloplossing: Verstelbare HMI

In veel gevallen wordt een verstelbare HMI-montagelösung gelijkgesteld aan een ergonomisch zinvol concept. Bij oudere HMI-displays is dit ook logisch, omdat het kijkhoek alleen een directe voorwaartse blik mogelijk maakt. Nieuwere displaytechnologieën zoals In-Plane Switching (IPS) bieden een kijkhoek van 178° en in combinatie met Optical Bonding (de naadloze verbinding tussen display, touch en voorruit), zoals men die kent van smartphones en tablets, is het display aanzienlijk helderder, levendiger en contrastrijker. Deze technologieën maken het mogelijk af te zien van een hoogteverstelbare montage. Een duidelijke verbetering in cleanroom-geschiktheid is eveneens mogelijk, omdat bij een mechanisch hoogteverstelbare oplossing altijd bewegende delen in elkaar grijpen. De reinigbaarheid van zo’n oplossing moet altijd zeer kritisch worden beoordeeld, omdat het meestal geen gesloten systeem volgens IP65 is.

Speciaaloplossing voor Building Management Systemen

Bij gebouwbeheer gaat het niet alleen om de decentrale besturing van een klimaatregeling, maar om een allesomvattend concept voor zo effectief mogelijke energiebesparing, toegangscontrole en het inrichten van besturingsmogelijkheden voor het controleren van de omgevingscondities. Voor de farmaceutische en biotechnologische industrie komen door de eis van papierloze documentatie en de netwerkanforderungen uit Pharma 4.0 aanvullende eisen aan het gebouwbeheer. Het gebruikersinterface vormt daarbij een HMI met meestal klein display en beperkte rekenkracht, dat via het netwerk is gekoppeld aan een centrale server en van daaruit de weergegeven informatie opvraagt en indien nodig de invoer van de operator doorgeeft. Voor deze eenvoudige weergavetaak volstaat een display dat met cleanroom-beschermkleding bediend kan worden, met netwerkverbinding en bij voorkeur met geïntegreerde stroomvoorziening via Power over Ethernet (PoE). Zo kan de montage- en bekabelingsinspanning zo laag mogelijk worden gehouden. Omdat de rekenkracht door de server wordt geleverd, kan worden afgezien van krachtige hardware en wordt het gebruik van een thin client aanbevolen. In het beste geval kunnen deze displays zonder versterking van de cleanroommuur worden gemonteerd, zodat ze naadloos aansluiten op de muuroppervlakte en daarmee IP65-bescherming bieden. Bij apparaatuitval moeten de apparaten weer gemakkelijk naar de operator kunnen worden verwijderd.

Epilog

De eisen aan de HMI in de productieomgevingen van de farmaceutische en biotechnologische industrie zijn veelzijdig en veeleisend. Dienovereenkomstig moeten de oplossingen flexibel kunnen worden geïmplementeerd en geschikt zijn voor de strenge eisen van Good Manufacturing Practice (GMP) en de daarmee samenhangende kwalificatie. Daarbij moeten de behoeften van de operators net zo centraal staan als de geschiktheid voor de productieomgeving en de eenvoudige reiniging van de apparaten. Een HMI vertegenwoordigt, door de vele eisen, een aanzienlijke investering, die bij tijdige planning en door betrokkenheid van de fabrikant in dit proces ook garandeert dat de Return on Investment (ROI) optimaal is.