Opcje montażu HMI w pomieszczeniu czystym

Rysunek 1: Montaż w ścianie na powierzchni bez przedniej płyty. / Figure 1: Flush in-wall assembly without front panel.

Rysunek 2: Montaż na ścianie z użyciem wspornika rury U. Kilka obrotowych sprzęgieł umożliwia obrót HMI i ramienia wspornika o 350°. Prowadzenie kabli jest wykonane wewnętrznie zgodnie z wymaganiami czystego pomieszczenia.

Rysunek 3: Mobilne HMI z wydajną baterią w podstawie.

Rysunek 4: Mobilne HMI z podwójnym wyświetlaczem do jednoczesnego wyświetlania wielu aplikacji. / 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.

Rysunek 6: Tablet jest szczególnie odpowiedni do zastosowań w zakresie konserwacji i uruchamiania, a także do tworzenia standardowych procedur operacyjnych (SOP) w pomieszczeniach czystych.

Rysunek 7: Ilustracja optymalizacji przepływu pracy i zmniejszenia dystansów do pokonania dzięki wykorzystaniu mobilnego HMI.

Abbildung 8: Das User-Interface von Gebäudemanagementsystemen stellt ein HMI mit meist kleinem Display und geringer Rechenleistung dar. / Rysunek 8: Interfejs użytkownika systemów automatyki budynkowej to HMI z zazwyczaj małym wyświetlaczem i ograniczoną mocą obliczeniową.

Montaż naścienny

Preâmbuł

W nowoczesnym środowisku procesowym przemysłu farmaceutycznego i biotechnologicznego sterowanie i wizualizacja procesów bez obsługiwania stacji Human-Machine Interface (HMI) nie są już możliwe do pomyślenia. Dodatkowe wymagania dotyczące produkcji bez papieru oraz biometrycznej autoryzacji operatorów podnoszą dalej wymagania wobec HMI w środowiskach produkcyjnych.

Dlatego konieczne jest od samego początku integracja HMI z koncepcją produkcji i planowaniem operacji związanych z procesem. Do tej integracji należy również planowanie położenia i montażu systemów, aby operator mógł je ergonomicznie osiągnąć i obsługiwać.

Dla integracji z istniejącymi koncepcjami i planami kluczowa jest elastyczność rozwiązań montażowych, ponieważ przestrzeń, szczególnie w wymagających higienicznie obszarach, jest cennym zasobem.

Rodzaje montażu

Gdy rozpatruje się różne obszary produkcyjne w przemyśle biotechnologicznym i farmaceutycznym, szybko można zauważyć, że prawie wszystkie HMI są montowane na ścianie lub z sufitu. Ułatwia to higieniczne, bezpieczne doprowadzenie okablowania do danych i zasilania, eliminując potrzebę użycia wkrętów kablowych w rurach montażowych. Montaż na podłodze jest rzadziej wybierany, ponieważ doprowadzenie kabli przez zewnętrzne wkręty kablowe jest mało akceptowalne. W tym przypadku konieczne jest czyszczenie nie tylko wkrętów kablowych, ale także przewodów lub używanego kanału kablowego.

Jednak możliwe są również rozwiązania, w których ani sufit, ani ściana nie mogą przenieść obciążenia HMI, przy czym krytyczna pod względem obciążenia część jest montowana na podłodze, a doprowadzenie kabli odbywa się przez sufit lub ścianę. Mimo że może to wyglądać mniej elegancko, rozwiązanie to jest pragmatyczne i w pełni nadaje się do pomieszczeń czystych.

Montaż na ścianie

Gdy warunki na to pozwalają, montaż na ścianie jest najprostszym rozwiązaniem, jednak ze względu na masę własną HMI wymaga mechanicznego wzmocnienia ściany czystego pomieszczenia. Jest to konieczne, aby wytrzymać siły działające na urządzenie i zapewnić bezpieczną, trwałą instalację.

Podstawowo wyróżnia się dwa warianty montażu na ścianie: In-Wall (w ścianie) oraz On-Wall (na ścianie).

Montaż w ścianie

Jest to klasyczny wariant montażu (patrz rysunek 1), wynikający z głębokiej konstrukcji starszych generacji HMI. Polega na wycięciu otworu w ścianie czystego pomieszczenia i ustaleniu wzoru wiercenia z wzmocnieniem. Urządzenie zwykle jest osadzone z przednią płytą z przyspawanymi kołkami i przykręcane od tyłu. Zaleta tego rozwiązania to łatwość montażu i płaskie osadzenie urządzenia w ścianie, choć ramka montażowa pozostawia potencjalną krawędź zabrudzenia. Dla prostych urządzeń dotykowych jest to nadal popularna forma montażu, choć wiąże się z kilkoma wadami. Należy zwrócić uwagę na następujące kwestie:

Otworki w ścianie są specyficzne dla urządzenia i modelu. Zmiana producenta urządzenia może wymagać poważnych ingerencji w czyste pomieszczenie, aby zmodyfikować otwór montażowy i dopasować go do nowego modelu.

Montaż z przednią płytą i kołkami wymaga możliwości dotarcia do tylnej strony ściany czystego pomieszczenia, aby w razie naprawy wymienić urządzenie.

Odwrotnie, oznacza to również, że w przypadku naprawy konieczne jest otwarcie czystego pomieszczenia, a następnie przeprowadzenie kolejnych kroków związanych z ponownym uszczelnieniem i czyszczeniem pomieszczenia. Jest to proces administracyjnie skomplikowany i mający poważny wpływ na użytkowanie pomieszczenia.

Istnieją rozwiązania minimalizujące ten wysiłek, na przykład wstawienie w ścianę misy montażowej i jej hermetyczne uszczelnienie, jednak ogranicza to jedynie wymianę urządzenia, nie rozwiązując problemu wymiarów otworu wynikających z dopasowania do urządzenia.

Ogólnie jest to rozwiązanie oszczędzające miejsce, ale wiąże się z wysokim nakładem montażowym i jest kosztowne w przypadku awarii urządzenia dla operatora.

Montaż na ścianie (On-Wall)

W wielu przypadkach preferowanym, bardziej elastycznym rozwiązaniem jest montaż HMI na ścianie (patrz rysunek 2). To rozwiązanie zyskało na popularności w ostatnich latach na tle montażu w ścianie, ponieważ postęp technologiczny umożliwia produkcję urządzeń lżejszych, mniejszych i przede wszystkim płaskich. Umożliwia to łatwe czyszczenie urządzeń i ogranicza zapotrzebowanie na przestrzeń.

Także dla tego montażu konieczne jest wzmocnienie ściany strukturalnie, aby wytrzymać siły działające na urządzenie. W przeciwieństwie do montażu w ścianie, pozycjonowanie urządzeń jest bardziej elastyczne, ponieważ można je przesuwać za pomocą różnych systemów montażowych. Jedno lub kilka obrotowych połączeń pozwala na rotację urządzenia wokół własnej osi, a dodatkowo za pomocą ściennego złącza można obracać urządzenie w przestrzeni lub z powrotem przybliżać je do ściany. Ponadto HMI mogą być ustawione jako konfiguracja duplex (podwójny ekran) i poruszać się w tym układzie, zapewniając operatorowi dużą elastyczność w wyświetlanych treściach.

Ważne jest również, aby prowadzenie kabli w tym rozwiązaniu odbywało się wewnątrz, bez widocznych kabli na zewnątrz. Zewnętrzne przewody są trudne do czyszczenia i stanowią ryzyko kontaminacji. Przy złączach konieczne jest zapewnienie, że mają one ogranicznik obrotu do maksymalnie 350°, aby zapobiec wewnętrznemu skręceniu i uszkodzeniu przewodów danych i zasilania.

W większości przypadków systemy montażowe są standaryzowane, co ułatwia wymianę urządzeń. Przewody urządzeń mogą być hermetycznie wprowadzane do czystego pomieszczenia za pomocą wkrętów kablowych, co oznacza, że podczas wymiany czyste pomieszczenie nie musi być otwierane, a czyszczenie po wymianie HMI nie jest konieczne.

Mobilne HMI

Metody montażu w ścianie i na ścianie to klasyczne rozwiązania, które zapewniają bardzo dobry stosunek jakości do kosztów w pomieszczeniach czystych, które są praktycznie używane ciągle. Jednak w wielu przypadkach pomieszczenia czyste są wykorzystywane efektywnie tylko przez kilka dni w tygodniu, ponieważ następny etap produkcji wymaga przygotowania i czyszczenia pomieszczenia. W takich zastosowaniach HMI nie są używane na co dzień. Dla tych przypadków warto rozważyć rozwiązanie mobilne, które odpowiada obecnym standardom technologicznym (patrz rysunek 3).

Zasilanie komputera przez akumulator i tym samym stworzenie mobilnego rozwiązania, które można używać według potrzeb, nie jest nowością. Jednakże istnieje kilka aspektów, na które trzeba zwrócić uwagę.

Najważniejszym warunkiem skutecznego korzystania z mobilnego rozwiązania w czystym pomieszczeniu jest podłączenie do sieci. Optymalnie, zasięg Wi-Fi w środowisku produkcyjnym jest pełny, co zapewnia integralność danych w każdej chwili. W obszarach, gdzie jest to niemożliwe lub niepożądane, należy zapewnić fizyczne połączenia LAN za pomocą czystych, przemysłowych gniazd LAN.

Ze względu na bardziej skomplikowaną mechanikę mobilnych rozwiązań, ważne jest, aby urządzenia można było łatwo i szybko czyścić. Jeśli mają być przesuwane między czystymi pomieszczeniami, konieczne jest zapobieganie krzyżowej kontaminacji. Mobilne rozwiązanie powinno być zaprojektowane tak, aby można je było łatwo czyścić w czystym pomieszczeniu i co najmniej spełniało klasę ochrony IP65, aby zapewnić tę czystość.

Podczas użytkowania mobilnych rozwiązań nie można zapominać o bezpieczeństwie operatora. Typowe scenariusze obejmują utratę róli pod urządzeniem, uderzenie w przeszkodę lub trzymanie urządzenia przez operatora. W każdym przypadku konieczne jest zapewnienie, że urządzenie nie przewróci się ani nie upadnie. Podstawowa mobilna podstawa z tylko czterema zamontowanymi kołami jest nieodpowiednia do tego celu.

Dzięki nowoczesnym projektom produktowym mobilne rozwiązania są dostępne nie tylko z jednym wyświetlaczem, ale także jako rozwiązanie duplex (patrz rysunek 4), co pozwala operatorowi na wyświetlanie wielu aplikacji jednocześnie na jednym urządzeniu.

Kolejnym krokiem w kierunku w pełni przemysłowo czystego rozwiązania jest rezygnacja z kabli ładowania i gniazdek w czystym pomieszczeniu. Umożliwia to indukcyjne ładowanie akumulatorów. W czystym pomieszczeniu rozmieszczone są punkty ładowania, które ładują urządzenie podczas obsługi (patrz rysunek 5). Współczesne technologie pozwalają na ładowanie szybkie, często szybsze niż przewodowe ładowarki. Dodatkowo, można zaoszczędzić miejsce, ponieważ nie jest potrzebne miejsce na stację ładowania mobilnego HMI.

Tablet PC

Rozwiązanie z tabletami PC (patrz rysunek 6) jest uważane przez wielu odpowiedzialnych za najtańsze rozwiązanie do sterowania i wizualizacji procesów w czystym pomieszczeniu. Tablet PC jest bardzo mobilny, tani i łatwo wymienny.

Jednak jest to wyłącznie podejście kapitałowe (CAPEX), które rzadko jest podzielane przez pracowników produkcji. Przy różnych punktach widzenia należy zwrócić uwagę na zastosowania, dla których tablet PC jest lepszy lub gorszy. Na podstawie praktycznych zastosowań tej stosunkowo nowej technologii można wyróżnić głównie przydatne zastosowania w konserwacji, uruchomieniu i prezentacji procedur operacyjnych (SOP). Dla tych zastosowań mobilność tabletu jest idealna.

Inne zastosowania, takie jak obsługa systemu MES lub DCS, wymagają możliwości wprowadzania danych. Wprowadzanie danych za pomocą tabletu odbywa się przez ekran dotykowy, który zajmuje miejsce na ekranie.

W związku z tym, przejrzystość jest ograniczona, a tablet PC staje się obciążeniem i czynnikiem ryzyka w produkcji.

Stałe i mobilne rozwiązania HMI mogą być zamocowane w określonej pozycji, co umożliwia operatorowi korzystanie z obu rąk do wykonywania standardowych zadań. W przypadku tabletu PC konieczne jest stworzenie specjalnej półki lub noszenie urządzenia przez operatora. Jeśli urządzenie pozostaje w ręku, skanowanie za pomocą tabletu jest obciążające ze względu na brak ergonomii w porównaniu do ręcznego skanera, a połączenie z ręcznym skanerem utrudnia wprowadzanie danych, ponieważ obie ręce są zajęte.

Ważne jest również, aby rozważyć ogólne możliwości stosowania tabletów PC w czystym pomieszczeniu. Produkt przeznaczony dla użytkownika końcowego może być używany w czystym pomieszczeniu tylko za pomocą specjalnych środków, takich jak obudowa ze stali nierdzewnej. Jeśli tablet nie jest chroniony, jego czystość można zapewnić tylko przy dużym wysiłku, na przykład przez dokładne czyszczenie portów (Micro-USB). Należy również sprawdzić, czy dostępne środki czyszczące z przemysłu farmaceutycznego i biotechnologicznego mogą być stosowane.

Kolejnym często pomijanym aspektem jest cykl życia produktu komercyjnego. Tablety używane są w krótszych cyklach niż produkty przemysłowe, więc po pomyślnym teście, kwalifikacji i zakupie, wybrane urządzenie może zostać zastąpione przez nowszy model.

Ostatecznie, konieczne jest ustalenie, gdzie i jak będą ładowane tablety PC. Czas pracy akumulatora przy normalnym użytkowaniu, w zależności od aplikacji, najprawdopodobniej nie wystarczy na pełną zmianę. Jeśli ładowanie ma się odbywać w czystym pomieszczeniu, stacje dokujące muszą być odpowiednio czyszczalne, a miejsce ładowania dla tabletów musi być przygotowane. Jeśli ładowanie ma się odbywać poza czystym pomieszczeniem, tablet musi spełniać wymogi GMP dotyczące czystości, aby można go było łatwo wprowadzić do czystego pomieszczenia i wyprowadzić z niego.

Produkcja Lean

Kolejnym aspektem, który często jest pomijany przy wyborze i pozycjonowaniu urządzeń HMI, jest planowanie HMI jako integralnej części lean (szczupłej) produkcji. Porównując diagram spaghetti (patrz rysunek 7) dla stałych i mobilnych HMI, można zauważyć, że wprowadzanie danych w punkcie, w którym pojawiają się dane, jest znacznie bardziej efektywne i upraszcza proces. Połączenie tego z biometryczną autoryzacją użytkownika znacząco zwiększa produktywność.

Środowisko, zdrowie i bezpieczeństwo (EHS - Environment Health & Safety)

W aspekcie EHS należy uwzględnić takie punkty jak bezpieczeństwo urządzeń, łatwość czyszczenia, ekologiczność używanych materiałów oraz ergonomię. Ważne jest, aby urządzenia nie tylko spełniały aktualny stan techniki, ale także były bezpieczne i trwałe w produkcji. W zakresie zrównoważonego rozwoju, stosowanie elementów bez ołowiu i lutów jest już standardem, podobnie jak przestrzeganie rozporządzenia REACH dotyczącego rejestracji, oceny, zatwierdzania i ograniczeń chemikaliów.

W zakresie zdrowia, łatwość czyszczenia przy użyciu specyficznych środków czyszczących jest kluczowa i powinna być wspierana przez konstrukcję urządzeń, materiał i strukturę powierzchni. Szorstka powierzchnia ze stali nierdzewnej jest nieodpowiednia, a w konstrukcji należy unikać płaskich powierzchni sprzyjających gromadzeniu się płynów i pyłów. Tylko dzięki tym środkom można zapewnić, że operator nie będzie miał kontaktu z zanieczyszczonymi powierzchniami lub aktywnymi substancjami na powierzchniach w późniejszym czasie.

Pod względem bezpieczeństwa, szczególnie przy projektowaniu urządzeń, należy unikać kątów 90°, aby zmniejszyć ryzyko urazów operatora. Klawiatury muszą wystawać do przodu od urządzenia, co jednak często zwiększa ryzyko kolizji z operatorem. Jeśli klawiatury mogą być odchylane z zakresu ruchu operatora, jest to preferowane. Mobilne rozwiązania muszą mieć co najmniej 5 kół, aby zapewnić bezpieczeństwo przed przewróceniem w przypadku utraty koła, a także unikać nadmiernego obciążenia urządzenia podczas ruchu po rampach lub w trakcie pokonywania przeszkód.

Sonderlösung höhenverstellbares HMI

W wielu przypadkach wysokościowa regulacja montażu HMI jest utożsamiana z ergonomicznie sensownym rozwiązaniem. W starszych rozwiązaniach wyświetlaczy HMI jest to uzasadnione, ponieważ kąt widzenia jest ograniczony do bezpośredniego widoku z przodu. Nowsze technologie wyświetlaczy, takie jak In-Plane Switching (IPS), umożliwiają kąt widzenia do 178°, a w połączeniu z technologią Optical Bonding (bezspoinowe połączenie między wyświetlaczem, dotykiem i szkłem frontowym), znane z smartfonów i tabletów, sprawiają, że wyświetlacz jest znacznie jaśniejszy, bardziej kontrastowy i lepiej odwzorowuje kolory. Technologie te pozwalają na rezygnację z wysokościowej regulacji montażu. Zwiększona czystość w pomieszczeniach czystych jest również możliwa, ponieważ w rozwiązaniu mechanicznie regulowanym wysokościowo, ruchome części mogą się stykać, co utrudnia czyszczenie. Takie rozwiązanie nie jest zwykle zamkniętym systemem IP65, więc wymaga szczególnej oceny czystości.

Sonderlösung für Building Management Systeme

W automatyce budynkowej chodzi nie tylko o zdecentralizowane sterowanie klimatyzacją, ale o kompleksową koncepcję optymalnego wykorzystania energii, kontrolę dostępu i ustawienia systemów do monitorowania warunków środowiskowych. W przemyśle farmaceutycznym i biotechnologicznym, ze względu na wymóg dokumentacji bez papieru i wymogi sieciowe z Pharma 4.0, pojawiają się dodatkowe wymagania dotyczące zarządzania budynkami. Interfejs użytkownika to zazwyczaj HMI z małym wyświetlaczem i niską mocą obliczeniową, podłączony do centralnego serwera przez sieć, który odpyta o wyświetlane informacje i przekaże dane od operatora. Do tych prostych zadań wystarczy wyświetlacz obsługiwany w czystym pomieszczeniu, z połączeniem sieciowym i, w najlepszym przypadku, z zintegrowanym zasilaniem przez Power over Ethernet (PoE). W ten sposób można ograniczyć koszty montażu i okablowania. Ponieważ moc obliczeniowa jest zapewniana przez serwer, można zrezygnować z wydajnego sprzętu i zastosować cienkiego klienta. W najlepszym przypadku te wyświetlacze można montować bez wzmocnienia ściany, tak aby stykały się z powierzchnią ściany i zapewniały ochronę IP65. W przypadku awarii urządzenia, musi ono być łatwo dostępne dla operatora.

Epilog

Wymagania wobec HMI w środowiskach produkcyjnych przemysłu farmaceutycznego i biotechnologicznego są różnorodne i wysokie. Rozwiązania muszą być elastyczne, możliwe do zastosowania w trudnych warunkach GMP oraz kwalifikacji. Należy również uwzględnić potrzeby operatorów, jak i odpowiedniość urządzeń do środowiska produkcyjnego oraz ich łatwość czyszczenia. Ze względu na liczne wymagania, HMI stanowi istotną inwestycję, którą odpowiednio zaplanowana i z udziałem producenta można zoptymalizować, aby zwrot z inwestycji (RoI) był jak najlepszy.