HMI - Normativa CFR 21

La norma 21 CFR Part 11, comunmente conocida como CFR 21, es una regulación dictada por la FDA (autoridad para la administración de medicamentos en USA).
Los puntos destacados de esta norma se centran en los registros electrónicos. El objetivo es tener trazabilidad respecto a las acciones y modificaciones que se realizan en una máquina o sistema (qué, quien, cuando, etc).
También ofrece directrices mínimas para buenas prácticas de fabricación (GMP).

Siendo así, establece unos requisitos de obligatorio cumplimiento para sistemas electrónicos utilizados en ciertas industrias. Lo que incluye la maquinaria del sector farmacéutico (principalmente). Pero también médico, cosmético, de alimentación, etc.
Cada vez es una regulación más solicitado por los usuarios finales de maquinaria a nivel internacional (debe acatarlo cualquier compañía que desee vender componentes médicos o productos farmacéuticos al mercado norteamericano).. 

Los sistemas automatizados de dichos sectores suelen cumplir con esta regulación mediante la implementación de funcionalidades dedicadas en HMI (o sistemas SCADA). Pues son los dispositivos de la máquina más expuestos, con los que los usuarios/operarios interaccionan con el sistema. 
Por lo tanto, es importante escoger equipos y softwares de desarrollo que sean capaces de cumplir con todas las directrices que recoge la norma.

En este breve artículo, se detallarán todos los aspectos fundamentales a tener en cuenta para cumplir con CFR 21/11...

¿EN QUÉ CONSISTE?

Seguidamente se exponen los tres pilares fundamentales sobre los cuales se respalda la implementación de la CFR 21 (parte 11):

- Gestión de usuarios y seguridad:
Es una funcionalidad que la mayoría de HMIs ya integran de forma nativa, pero para ceñirse a la CFR 21 hay muchos requisitos que se deben cumplir...
Primeramente, es imprescindible que las cuentas y credenciales con las que se identifica cada usuario sean únicas.
Dichas credenciales también deben cumplir con requisitos de complejidad, bloqueo y caducidad forzada.
Evidentemente, se deben configurar los roles de cada usuario para garantizar que solo pueden acceder a las partes del proyecto para las que están autorizados. 
Los roles o permisos también pueden apilarse, de tal manera que una acción pueda requerir múltiples roles.
Se suele disponer también de firmas electrónicas para acciones que requieran una confirmación adicional de los permisos de usuario. 

- Seguimiento de auditoria (Audit Trail):
Esta funcionalidad es la más representativa de la norma. Consiste en la capacidad del HMI para almacenar todos los registros y acciones de los usuarios en la máquina.
Se pueden crear y aplicar múltiples perfiles de auditoria a proyectos en función de los requisitos específicos del sistema...
A nivel de programa, se suelen utilizar objetos estándares en el proyecto del terminal (botones, entradas de datos, etc). No obstante, los objetos que resulten críticos pueden asociarse a un evento programable dentro de la pista de auditoría.
Entonces, al modificar ese botón o introducir ese dato, se almacena la información del cambio realizado (normalmente, con una prueba de validación antes de aplicar el cambio). Esto permite la posterior revisión de todas las modificaciones hechas en la máquina.
Algunos ejemplos de los eventos que suelen auditarse son el login y logout de usuarios (así como la modificación de sus credenciales), el reconocimiento de alarmas, los cambios en las recetas o configuraciones y las paradas del sistema entre otros...

- Veracidad y seguridad de los datos:  
Todas estas acciones registradas en el terminal, se tienen que almacenar de forma segura.
Normalmente el almacenamiento se hace en bases de datos o una memoria.
Los datos validados proporcionados por el sistema deben presentarse como informes de solo lectura (a veces, incluso, encriptados).
El formato de archivo más común es .pdf, pues hojas de cálculo como .csv no serían válidas dado que son editables.
También se deben configurar copias de seguridad incrementales y completas programadas regularmente para el almacenamiento de datos a largo plazo.
Normalmente, las copias deben mantenerse en una memoria independiente, fuera de la línea.

HMI - Acceso remoto

En anteriores artículos ya se ha hablado de la importancia que tienen los HMI para el control y el monitoreo de los sistemas automatizados actuales.

El caso es que cada vez son más los requerimientos solicitados para estos equipos... Y una de las funcionalidades que se suele pedir es la de poder controlar remotamente el aplicativo del terminal.
Pues, a veces, resulta de gran utilidad poder utilizar el HMI desde otro dispositivo externo. Ya sea para monitorizar su comportamiento o actuar sobre él (en tiempo real).

Estas soluciones no siempre son viables, pues dependen del fabricante y modelo de terminal utilizado... Pero, por norma general, son bastante estándares en los equipos actuales que admiten comunicaciones Ethernet.

El presente artículo va a presentar las funcionalidades para acceso remoto a HMI más conocidas y comunmente utilizadas. Detallando como funcionan y que consideraciones tener en cuenta cuando se utilizan. 

¿EN QUÉ CONSISTE?

Las alternativas que se presentarán, se enfocan en poder operar sobre un terminal táctil desde dispositivos como PCs, móviles, tablets o similares.

Para ello, se requiere utilizar aplicaciones que corran sobre estos dispositivos... Que pueden ser genéricas, de terceros o desarrolladas específicamente por el mismo fabricante del HMI.

Dichas soluciones se pueden implementar en una red local.
Por ejemplo, en una red de fábrica para poder acceder al HMI desde un PC de oficina. 
También se usan para la conexión en remoto. 
Se requiere un router ADSL o 3G/4G. Por ejemplo, permitiría conectarse desde cualquier punto con un teléfono móvil para el monitoreo del HMI.

¿SOLUCIONES?

Nos centraremos en las dos funcionalidades más utilizadas...

- HMI como Servidor Web:

    Es una alternativa que proporciona conexión a una interface http, donde se dispone del
    aplicativo gráfico del HMI.
    A veces este entorno integra funcionalidades adicionales (p.e. acceso a memoria de
    HMI, posibilidad de configurar ajustes del terminal, etc). 

    En el dispositivo desde el que te quieras conectar, requieres de un Cliente Web.
    Puede ser un navegador web estándar, normalmente solo es necesario poner la IP del
    terminal en el buscador para conectarse (p.e. http://192.168.0.1/).
    También puede haber un aplicativo especifico, normalmente desarrollado por el fabricante.

    * El servidor web suele utilizar el puerto 80 o 8080 (TCP). 

- HMI como Servidor VNC:

    Esta otra funcionalidad, utiliza el protocolo RFB para transmitir datos de los píxeles de un
    equipo a otro y enviar eventos de control.
    Esta solución es mucho más rápida y fiable que la alternativa de Servidor Web. Pero no
    suele integrar funcionalidades adicionales. 

    Necesitas un Cliente VNC en el dispositivo desde el que te quieras conectar.
    El fabricante puede disponer de un software específico, pero hay muchas apps genéricas
    que suelen funcionar bien con cualquier servidor, por ejemplo VNC Viewer (enlace
    de descarga gratuito aquí).

    * El Servidor VNC normalmente trabaja con el puerto 5900 (TCP). 

¿PRECAUCIONES?

Lo común es que el HMI (servidor) solo admita la conexión de un cliente (simultáneamente) en cada una de las soluciones presentadas.
No obstante, un cliente si que se puede conectar con varios servidores a la vez. 

En función del aplicativo utilizado para monitorizar el HMI, pueden darse problemas con la resolución de la imagen. 
No es lo mismo monitorizar un terminal desde PC que desde un móvil de pocas pulgadas... Por esto, si el fabricante dispone de un software específico para la conexión remota, es recomendable utilizarlo (pues ya contemplará estas posibles limitaciones). 

Hay que ver las configuraciones que admiten los clientes para evitar posibles conflictos con quien utiliza el HMI "in situ".
Por poner un ejemplo, muchas veces el cliente se pueden limitar a la monitorización. Evitando que remotamente se hagan cambios críticos en el HMI.

HMI - Tipos de terminales táctiles

Parece que la selección del HMI para una aplicación puede no ser demasiado determinante. Se suele creer que cualquier terminal táctil es válido para controlar un sistema, siempre que cumpla con las especificaciones y funcionalidades básicas...
En ocasiones, puede ser así. Pero cada vez se utilizan pantallas en escenarios más diversos y con requerimientos más específicos.

Siendo así, en este artículo se presentarán todas aquellas características a tener en cuenta para la elección de la pantalla. Dejando patente las grandes diferencias que pueden llegar a darse entre los distintos modelos y/o fabricantes.

¿ESPECIFICACIONES BÁSICAS?

Independientemente del modelo de HMI que se quiera utilizar, hay unas especificaciones técnicas que comparten todos. Las más genéricas serían:

1) Tamaño de pantalla: Dimensión del display táctil (normalmente en pulgadas). El fabricante también debe facilitar las demás medidas del hardware (p.e. marco).

Es imprescindible para determinar su montaje, pero también se escoge en función de lo que se requiera mostrar en ella.

2) Funcionalidad táctil: No todos los terminales son táctiles... También hay modelos que trabajan con teclas de función. Estos suelen ser más económicos y robustos (p.e. frente a falsas detecciones), pero están más limitados.

Los terminales con teclas de función empiezan a estar obsoletos... Pero también hay modelos mixtos.

3) Resolución y color: Las especificaciones del display (STN, TFT, etc) en cuanto a imagen, pueden ser varias... Hay modelos de HMI en monocromo, color y con mayor/menor resolución de píxeles.

No suele ser una característica crítica, pero si suele afectar al precio y, evidentemente, el acabado de la app.

4) Software: Parece muy evidente, pero es un punto esencial para la elección del modelo de HMI... Se deben tener en cuenta las prestaciones del programa en cuestión, el que requiera licencia (o no), que sea compatible con más modelos de terminales, etc.

El software de programación suele subministrarlo el fabricante. De este dependen todas las funcionalidades que puedan implementarse en el HMI.

¿MONTAJE?

Comunmente, nos encontramos con dos tipos de montajes estándar en los HMI. En panel (es decir, en el cuadro eléctrico) o en un pedestal/soporte específico:

Son los más habituales, por su robustez y fácil integración. Incluso suelen incorporar algún estándar de montaje (p.e. VESA).   

Se deben conocer las directrices que de el fabricante, entre las cuales suelen estar:
- Orientación: No siempre se puede montar vertical y/o horizontalmente. 
- Refrigeración: Es común que se recomienden sistemas de ventilación específicos o se detallen distancias de montaje para asegurar la corriente de aire. 

La otra alternativa que se puede proponer es el HMI portátil o "de mano". 

Muy utilizados en aplicaciones de robótica, recordando las características y funcionalidades de una "teach pendant".  

Es habitual que integre teclas de función en el marco, así como E/S digitales (en ocasiones, de seguridad). 

¿PROTECCIÓN?

Es importante conocer el grado de protección IP que tiene un terminal táctil. Pues dependiendo del entorno en el que se deba utilizar, puede requerir estar a salvo frente a líquidos y polvo (u otras partículas).

Hace referencia a la norma internacional CEI 60529, utilizado con mucha frecuencia en los datos técnicos de equipamiento electrónico.

Se debe tener presente que no todas las partes del terminal pueden proporcionar el mismo grado de protección. Normalmente, es más elevado para el frontal. 

También existen HMIs que disponen de accesorios para poder aumentar el grado de protección IP si se requiere.

¿COMUNICACIONES?

Una de las especificaciones imprescindibles para escoger el modelo de terminal es conocer los interfaces y protocolos de comunicaciones que admite. 

El HMI suele comunicar con un autómata (PLC), así que debe disponer de un driver de comunicaciones adecuado para poder intercambiar datos con el mismo.

Normalmente trabaja como "maestro/cliente" de la red. Pues es el que hace las peticiones de lectura/escritura a los demás equipos con los que comunica.

Actualmente, lo más estándar son las comunicaciones por medio físico Ethernet.
No obstante, también es habitual que el terminal necesite comunicar vía serie con escáneres, lectores de códigos de barras y otros instrumentos... Muchos fabricantes contemplan dicha posibilidad en sus equipos.

También añadir en este apartado que un terminal suele tener puerto dedicados para memorias externas (p.e. SD o USB). Normalmente se utilizan para el almacenamiento o volcado de datos al HMI.

¿FUNCIONALIDADES BÁSICAS?

Cuando se programa un HMI, hay algunas funcionalidades estándares que se suelen utilizar en prácticamente cualquier tipo de aplicación.
En función del terminal/software, puedes encontrarte con limitaciones en algunas de ellas. Por lo que resulta imprescindible conocer de que funciones admite un HMI y las utilidades asociadas a ellas...

Seguidamente, se reportan algunas:

- Registro de datos: Imprescindible para el almacenamiento de información (en memoria interna o externa de HMI). 
Normalmente va asociada a la funcionalidad de gráficas. 

- Recetas: Permite al operario seleccionar diferentes modos de operación preconfigurados.
Muy utilizado para poder flexibilizar la producción según requerimientos.

- Idiomas: Posibilidad de traducir todos los textos según se requiera.
Se suele trabajar con un lenguaje predeterminado y se traducen todos los recursos a los demás.

- Gestor de alarmas: Utilizado para poder monitorizar todas aquellas alarmas definidas por usuario (en tiempo real o formato histórico). 
Puede permitir al operario resetearlas o reconocerlas para que siga la producción.

- Solucionador de problemas: Sirve para conocer los errores que pueden tener diferentes equipos con los que comunica la pantalla. Normalmente, los autómatas. 
En algún caso, el HMI admite conectarse al programa de PLC para ver la secuencia lógica del mismo. Lo que puede ahorrar tiempo para el diagnóstico de fallos en la instalación.

- Usuarios y seguridad: Es imprescindible disponer de una gestión de usuarios para que puedan registrarse y, según su nivel de privilegio, acceder (o no) a ciertas páginas y datos. 
En algunas máquinas (p.e. sector farmacéutico), se utilizan regulaciones específicas como lo es la CFR21. Consiste en reportar toda la información referente a las acciones/modificaciones realizadas desde el programa de HMI. 

- Programación de scripts: Cada vez son más los terminales que admiten programación de alto nivel (macros). 
Muy demandado para poder programar comandos y secuencias concretas para que corran bajo el entorno gráfico del proyecto.

HMI - Diferencias con sistema SCADA

Actualmente, es muy común encontrarse con una HMI (Interfaz Hombre-Máquina) en cualquier sistema automatizado. Se ha vuelto un elemento prácticamente indispensable...

Estos dispositivos permiten una relación más natural y proactiva entre operador y maquinaria.

No obstante, no son la única alternativa que nos permite controlar y monitorizar el estado de un sistema mediante entorno gráfico. Su principal "competidor" son los sistemas SCADA (Control de Supervisión y Adquisición de Datos). 

Suele haber confusión entre entre estos dos conceptos... Pero este artículo desvelará las diferencias entre HMI y SCADA, así como las principales similitudes.
El objetivo es poder distinguir ambas soluciones y saber cual es la más adecuada para implementar en nuestro proyecto.

¿EN QUÉ SE DIFERENCIAN?

- Área a controlar:
Los HMIs se utilizan más a nivel de maquina, para realizar acciones locales e inmediatas sobre el PLC.
Los SCADAs suelen emplearse para controlar sistemas de gran envergadura y mayor complejidad (normalmente, toda una planta de producción).
Simplificándolo, podemos decir que un HMI puede formar parte un sistema SCADA, pero no viceversa. Se encuentran en distintos niveles.   

- Hardware:
Un HMI acostumbra a asociarse a un dispositivo físico (preparado para el entorno industrial), bajo el que corre una aplicación desarrollado por el fabricante.
Por otro lado, un SCADA no deja de ser un aplicativo de software diseñado para funcionar sobre ordenadores estándar (p.e. con OS Windows).
No obstante, también hay softwares de HMI preparados para correr directamaente sobre PC o IPC (ordenadores industriales). 

- Software de programación:
Ambos se basan en un interfaz gráfico en el que disponer objetos funcionales para el control y monitoreo del sistema. Suelen incorporar entornos de programación textual (scripts). 
Como punto diferencial, los sistemas SCADA se caracterizan porque suelen requerir un software de diseño (para el desarrollador) y otro de runtime que permite ejecutar la aplicación (para el usuario).  

- Comunicaciones:
Los HMI suelen incorporar protocolos de comunicación OT (p.e.EtherNet/IP), para un control en tiempo real de la máquina. 
El SCADA, en cambio, suele estar enfocado a establecer un enlace con IT (p.e. protocolo OPC UA). También más equipado para el control en remoto del sistema.
El SCADA suele presentar unas velocidades de comunicación más bajas. A parte de por los protocolos utilizados, porque normalmente trabaja en redes más amplias y gestiona una mayor cantidad de datos.  

- Funcionalidades:
Obviamente, este punto depende del software que se utilice... Lo que si se puede afirmar es que los SCADAs suelen incluir opciones más avanzadas para la gestión y archivos de datos.
Esto también afecta el perfil de usuarios. La HMI suele utilizarse por operarios a pie de máquina, mientras que los SCADA normalmente van dirigidos a gerencia. Permiten trabajar con formatos inteligibles para periféricos (p.e. impresoras) o software (p.e. hojas de cálculo), lo que suele ser óptimo para la toma de decisiones en producción, mantenimiento, etc.

¿CONCLUSIONES?

Las diferencias comentadas entre HMIs y sistemas SCADA son bastante genéricas, pues pueden variar en función del fabricante. Es preferible asesorarse antes de decantarse por una alternativa u otra.

Lo que queda claro es que, por norma general, podemos definir estos sistemas como soluciones complementarias, para nada excluyentes.

También decir que es común encontrarnos con soluciones en las que HMI y SCADA se invierten los papeles (ciñéndonos al patrón comentado).
Por ejemplo, podemos dar con fabricantes que trabajan a pie de máquina con un sistema SCADA para controlarla.
Quizás no resulte óptimo. Como se dice, podría ser "matar moscas a cañonazos". Pero en ningún caso se considera una solución inadecuada, pues tendrán sus razones para hacerlo (p.e. necesitan una funcionalidad concreta del SCADA en cuestión).