HMI là gì? Tổng hợp tính năng, cấu tạo, lợi ích, hạn chế của HMI
HMI (Human-Machine Interface) – tạm dịch: giao diện người-máy – là một giao diện người dùng hoặc bảng điều khiển cho phép con người tương tác, điều khiển và giao tiếp với máy móc.
HMI đóng vai trò là một công cụ trực quan, hiệu quả để người vận hành có thể điều khiển, giám sát và thiết lập cấu hình máy móc cũng như quy trình. Không thể phủ nhận rằng HMI đã trở thành một yếu tố bắt buộc cần có trong hệ thống thông tin công nghiệp, nhằm tối ưu hóa các quy trình tự động hóa trực thuộc cơ sở sản xuất hoặc nhà máy.
Trong cuộc sống hàng ngày, HMI cũng biểu hiện ở một số dạng thiết bị thường gặp như màn hình cảm ứng và bàn phím.
Tính năng chính của HMI
Trực quan hóa dữ liệu qua màn hình
Màn hình HMI hiển thị thông tin quan trọng một cách rõ ràng và dễ hiểu cho người vận hành. Thông qua giao diện đồ họa, biểu đồ, chỉ số, và cảnh báo trực quan, HMI cung cấp cái nhìn tổng quan về dữ liệu và trạng thái hệ thống, hỗ trợ quá trình ra quyết định theo thời gian thực.
Điều khiển và vận hành
HMI cho phép người vận hành tương tác và kiểm soát hoạt động của hệ thống. Bằng cách sử dụng nút bấm, công tắc ảo, thanh trượt và màn hình cảm ứng, người dùng có thể khởi động, dừng, điều chỉnh thông số và thực hiện các thao tác cụ thể theo yêu cầu của quy trình.
Cấu hình và lập trình
HMI cũng đem đến khả năng cấu hình và lập trình cho các thiết bị hoặc hệ thống tự động. Giao diện trực quan giúp người dùng thiết lập giá trị tham chiếu, xác định trình tự hoạt động, và tùy chỉnh các cài đặt để hệ thống phù hợp với các yêu cầu và điều kiện khác nhau.
Chẩn đoán và bảo trì
Ngoài hoạt động thường ngày, HMI hỗ trợ xác định và xử lý sự cố khi có lỗi hoặc trục trặc. Hệ thống hỗ trợ công cụ chẩn đoán, nhật ký sự kiện và cảnh báo, giúp kỹ thuật viên nhanh chóng phát hiện và khắc phục vấn đề. Ngoài ra, màn hình HMI có thể cung cấp quyền truy cập vào hướng dẫn sử dụng và tài liệu kỹ thuật liên quan.
Truy cập từ xa
Người dùng có thể sử dụng kết nối Internet để xem thông tin về hoạt động của nhà máy, đồng thời gửi lệnh điều khiển đến máy móc từ bất kỳ đâu trên thế giới. Ngoài ra, họ cũng nắm quyền giám sát và điều khiển thiết bị qua các thiết bị di động như smartphone hoặc tablet, giúp nâng cao tính linh hoạt và khả năng phản ứng nhanh chóng trong quá trình vận hành.
Hình ảnh mô tả việc giao tiếp từ xa giữa các máy trong nhà máy và thiết bị di động sẽ làm nổi bật khả năng tương tác và quản lý hiệu quả.
Cài đặt bảo mật
HMI có thể trở thành một phần hệ thống công cụ nhằm hạn chế quyền truy cập và tạo ra các tài khoản người dùng với quyền cụ thể, đảm bảo chỉ những người có thẩm quyền mới được truy cập thông tin nhạy cảm.
Để tăng cường an ninh, việc mã hóa thông tin là hết sức cần thiết nhằm bảo vệ dữ liệu trong quá trình truyền tải. Hơn nữa, việc thu thập nhật ký hoạt động cũng giúp theo dõi hoạt động của người vận hành, từ đó phát hiện và xử lý kịp thời các hành vi không hợp lệ.
Phân biệt 4 loại HMI phổ biến
Màn hình cảm ứng HMI
Đây là các HMI sử dụng màn hình cảm ứng để trình bày dữ liệu quy trình và cho phép người vận hành nhập lệnh. Việc tích hợp liền mạch giữa đầu vào của người dùng và đầu ra hiển thị mang lại những lợi thế rõ ràng, cho phép người lập trình thiết kế thêm các điều khiển và dữ liệu liên quan vào các màn hình riêng biệt, tùy chỉnh cho các nhu cầu cụ thể.
Người vận hành có thể dễ dàng điều hướng giữa các màn hình khi cần thiết, nhanh chóng chuyển đổi giữa các thiết bị và tương tác với hàng chục đầu máy khác mà không cần nhồi nhét mọi thứ trên một màn hình duy nhất.
HMI dạng web
HMI dạng web là các bảng giao diện dành cho khách hàng, cung cấp một lựa chọn thay thế mới mẻ cho HMI truyền thống. Hình thức sử dụng trình duyệt web sẽ giúp trình bày dữ liệu quy trình và cho phép người vận hành nhập lệnh. Được thiết kế ưu tiên theo các tiêu chuẩn tính năng đơn giản và bảo mật, HMI web không lưu trữ hoặc xử lý dữ liệu tại chỗ, mà dựa vào máy chủ cục bộ để thực hiện các tác vụ này.
Bảng điều khiển vật lý
Đây là loại hình HMI vật lý sử dụng nút bấm, công tắc và màn hình hiển thị để trình bày dữ liệu quy trình và cho phép người vận hành nhập lệnh. Chúng thường được dùng trong các môi trường công nghiệp phức tạp và khó thích hợp để thao tác với màn hình cảm ứng, chẳng hạn như nơi có độ rung lắc mạnh hoặc nhiều bụi bẩn.
HMI không tích hợp màn hình
Trong khi hầu hết các HMI đều được trang bị màn hình và phương thức tương tác tích hợp, vẫn còn đó một số lý do để HMI không kèm màn hình được ra đời.
Thay vì nhờ cậy vào thao tác trên màn hình, người dùng sẽ gửi tính hiệu video mô phỏng diễn biến qua kết nối HDMI hoặc mạng để kiểm tra. Việc này giúp giảm đáng kể kích thước vật lý của thiết bị, cho phép phần cứng xử lý của HMI có thể lắp vừa vặn vào những nơi chật hẹp hoặc có không gian đặc thù, hạn chế.
Sau đó, người dùng sẽ kết nối thông qua một màn hình cảm ứng từ bên ngoài, hoặc truy cập từ xa qua giao diện web từ bất kỳ địa điểm nào có kết nối Internet để thực hiện thao tác điều khiển.
3 thành phần chính của hệ thống HMI
Phần cứng
Phần cứng bao gồm các bộ phận vật lý như màn hình, bàn phím và bộ xử lý máy tính.
Các thiết bị đầu vào (như màn hình cảm ứng và nút bấm) cho phép thiết lập lệnh điều khiển máy. Các thiết bị đầu ra (như màn hình hiển thị và loa) hiển thị những gì máy đang thực hiện một cách trực quan hoặc bằng âm thanh. Bộ vi xử lý đóng vai trò như đầu não hệ thống, kiểm soát tất cả các lệnh và chạy phần mềm.
Phần mềm
Phần mềm là chương trình của HMI được sử dụng để tương tác trên màn hình, giúp vận hành máy và hiển thị dữ liệu thông qua các nút chức năng, thanh trượt hoặc biểu đồ. Chúng cũng giúp phản ánh tình hình hiệu suất của máy, thể hiện khả năng hoạt động tốt ra sao, nơi nào cần cải thiện.
Cơ chế kết nối
Các cơ chế giao tiếp và kết nối là cách mà hệ thống HMI liên lạc với máy, được thực hiện thông qua kết nối có dây như mạng Ethernet hoặc không dây như Wi-Fi. Những phương pháp giao tiếp này đảm bảo rằng thông điệp giữa người và máy được truyền tải nhanh chóng, đáng tin cậy theo thời gian thực.
Ưu điểm & lợi ích của HMI trong sản xuất
Nâng cao hiệu suất hệ thống
HMI cho phép dễ dàng truy cập dữ liệu quy trình và nhập lệnh, từ đó cải thiện hiệu quả của quy trình đang vận hành. Dữ liệu được hiển thị một cách rõ ràng và ngắn gọn sẽ giúp việc đưa ra quyết định sáng suốt trở nên dễ dàng và chuẩn chỉnh.
Giám sát và phân tích theo thời gian thực
Màn hình HMI cung cấp hình ảnh theo thời gian thực về dữ liệu và thông số của hệ thống, cho phép người vận hành theo dõi hiệu suất và phát hiện bất kỳ dấu hiệu bất thường hoặc sai lệch. Đây là điều kiện cần thiết để ứng phó kịp thời và biện pháp khắc phục, từ đó cải thiện hiệu quả hoạt động và chất lượng sản phẩm.
Giao diện thân thiện và trực quan
Các thiết bị HMI được thiết kế với mục tiêu dễ sử dụng và trực quan nhờ màn hình cảm ứng điện dung và giao diện đồ họa hấp dẫn, giúp việc tương tác với hệ thống diễn ra một cách tự nhiên và suôn sẻ. Đối với những nhân sự không giỏi làm quen với công nghệ, lợi ích của màn hình cảm ứng HMI là cực kỳ lớn, giúp nhanh chóng thích nghi với quy trình và nâng cao hiệu quả công việc.
Kết nối linh hoạt, tương thích cao
HMI có thể hỗ trợ tương thích với nhiều tùy chọn kết nối cho các hệ thống và thiết bị ngoại vi khác nhau. Chúng có thể trở thành một phần trực thuộc mạng lưới dây chuyền công nghiệp, giao tiếp với các bộ điều khiển logic khả trình (PLC) và các thiết bị tự động hóa khác. Hơn nữa, khả năng hỗ trợ nhiều giao thức kết nối khác nhau cũng nằm trong phạm vi phù hợp, tạo điều kiện cho HMI tương tác trong nhiều môi trường đa dạng.
Nhược điểm & hạn chế của HMI
Phụ thuộc vào hệ thống
Nếu HMI ngừng hoạt động hoặc không khả dụng, người vận hành sẽ bị ngắt khả năng truy cập dữ liệu quan trọng hoặc không kiểm soát được quy trình, gây gián đoạn hoạt động sản xuất.
Tiềm ẩn lỗi do con người
Con người có thể mắc sai sót khi sử dụng HMI, chẳng hạn như nhập lệnh không chính xác hoặc không chú ý đến báo động, dẫn đến các vấn đề vượt ngoài tầm kiểm soát.
Chi phí phát sinh
Việc triển khai HMI có thể trở thành một khoản chi phí phát sinh đáng kể, vì nhu cầu mua sắm và lắp đặt HMI đòi hỏi chuyên môn và kiến thức nhất định, chưa kể các phần cứng và phần mềm liên quan đi kèm.
Lĩnh vực & môi trường ứng dụng HMI
Giao diện người-máy (HMI) được sử dụng trong nhiều môi trường sản xuất công nghiệp nhằm nâng cao hiệu suất, đảm bảo an toàn và cải thiện khả năng kiểm soát cũng như truy xuất dữ liệu quy trình vận hành.
Một số ngành nghề và lĩnh vực thường xuyên sử dụng HMI bao gồm:
Sản xuất công nghiệp
HMI được sử dụng rộng rãi trong các cơ sở sản xuất để điều hành quy trình dây chuyền nhà máy. Hệ thống cung cấp dữ liệu quy trình cho người vận hành, cho phép nhập lệnh, thiết lập giá trị đối chiếu, hiển thị cảnh báo cùng các thông tin quan trọng khác.
Sản xuất điện
HMI cũng thường được triển khai trong các nhà máy điện để kiểm soát lượng tiêu thụ nhiên liệu và năng lượng, kiểm tra hiệu suất vận hành lò hơi, điều khiển tuabin, và phân phối điện.
Xử lý nước và nước thải
Trong các nhà máy xử lý nước và nước thải, HMI được dùng để giám sát các quy trình như bơm nước, xử lý và phân phối.
Khai thác dầu khí
HMI đóng vai trò quan trọng trong ngành sản xuất và tinh chế dầu khí, giúp điều hành quy trình khoan dầu, bơm và tinh chế.
Điều chế hóa chất
HMI trong nhà máy chế biến hóa chất được sử dụng để điều khiển các quy trình như trộn, phản ứng, chưng cất, đảm bảo chất lượng và hiệu quả theo đúng mục tiêu.