HMI là gì? Cấu tạo, ứng dụng và nguyên lý hoạt động của HMI

HMI là một thành phần không thể thiếu trong các hệ thống tự động hóa và điều khiển công nghiệp. Nó đóng vai trò là cầu nối giữa con người và máy móc, cho phép người vận hành giám sát, điều khiển và tương tác với các thiết bị và quy trình một cách dễ dàng và hiệu quả.

1. HMI là gì?

HMI (Human-Machine Interface) là một hệ thống giao tiếp cho phép con người tương tác và điều khiển máy móc, thiết bị hoặc quy trình công nghiệp. Về bản chất, HMI thường là một màn hình hiển thị thông tin và cung cấp các công cụ để người vận hành giám sát và điều khiển hoạt động của máy móc, giúp người sử dụng dễ dàng kiểm soát thiết bị, quản lý quá trình sản xuất và giảm thiểu sai sót trong quá trình vận hành.

Cấu tạo của HMI bao gồm:

Phần cứng (Hardware):

• Màn hình hiển thị, bộ xử lý, bộ nhớ (RAM, ROM, thẻ nhớ)
• Các nút nhấn
• Các cổng kết nối

Phần mềm (Software): Phần mềm hệ thống, phần mềm lập trình/cấu hình HMI, tính năng (Features)

Truyền thông (Communication):

• Giao thức truyền thông như: Modbus (RTU, ASCII, TCP/IP), EtherNet/IP, PROFINET, CANopen, OPC UA, MQTT, SNMP
• Các tính năng mở rộng, nâng cao

2. Các tính năng của HMI

2.1. Thân thiện với người dùng

Giao diện của HMI được thiết kế đơn giản và dễ sử dụng, với các nút bấm, biểu tượng và màn hình hiển thị rõ ràng và dễ đọc. Điều này giúp người dùng tương tác với màn hình và kiểm soát quy trình và hệ thống một cách hiệu quả.

2.2. Cung cấp thông tin thời gian thực

Thiết bị cung cấp thông tin thời gian thực về quy trình và hệ thống. Nó liên tục cập nhật thông tin và cho phép người dùng theo dõi toàn bộ quy trình ở thời điểm thực tế. Điều này giúp người dùng đưa ra quyết định và hành động nhanh chóng và hiệu quả.

2.3. Khả năng tùy chỉnh

Màn hình này có tính năng tùy chỉnh, cho phép người dùng điều chỉnh các thông số và cài đặt theo ý muốn để phù hợp với từng ứng dụng cụ thể. Giao diện, các thông số hiển thị, chức năng và các cài đặt khác có thể được tùy chỉnh để đáp ứng nhu cầu của người dùng.

2.4. Kết nối mạng

Người dùng có khả năng quản lý và kiểm soát thiết bị và quy trình từ xa. Điều này tăng tính linh hoạt và giúp tiết kiệm chi phí vận hành, cho phép người dùng kiểm soát và giám sát quy trình và hệ thống từ bất kỳ đâu.

2.5. Điều khiển và giám sát

Thiết bị cho phép người dùng điều khiển thiết bị và quy trình, cũng như giám sát thông số và biểu đồ để đảm bảo hoạt động tối ưu và an toàn. Nó cũng có tính năng báo cáo và ghi nhật ký về hoạt động và sự cố của hệ thống, giúp người dùng phân tích và cải thiện quy trình và hiệu quả hoạt động của hệ thống.

2.6. Bảo mật và tích hợp

Thiết bị cung cấp tính năng bảo mật để đảm bảo an toàn và bảo vệ thông tin quan trọng của hệ thống. Nó hỗ trợ xác thực người dùng và kiểm soát truy cập để đảm bảo chỉ có người được ủy quyền có thể truy cập và kiểm soát hệ thống.

2.7. Nâng cao hiệu quả và tối ưu chi phí

HMI giúp người dùng tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả vận hành. Nó giảm thiểu lỗi và sự cố trong quá trình vận hành và tăng tính linh hoạt trong việc điều khiển hệ thống.

3. Nguyên lý hoạt động của HMI

HMI hoạt động như một trung tâm điều khiển và giám sát, kết nối con người với máy móc và quy trình sản xuất thông qua một bộ điều khiển trung gian là PLC. Để thiết lập hệ thống này, HMI cần được tích hợp phần mềm phù hợp và kết nối với PLC bằng cáp truyền thông.

Khi người vận hành tương tác với HMI, chẳng hạn như nhấn nút trên màn hình cảm ứng hoặc nhập các giá trị cài đặt, HMI sẽ chuyển các yêu cầu này thành tín hiệu và gửi đến PLC. PLC sẽ xử lý các tín hiệu này và điều khiển trực tiếp các máy móc, thiết bị trên dây chuyền sản xuất (ví dụ: bật/tắt động cơ, điều chỉnh tốc độ, đóng/mở van).

Ngược lại, các máy móc và thiết bị trên dây chuyền liên tục gửi thông tin về trạng thái hoạt động (đang chạy hay dừng, có lỗi hay không) và các thông số hiện tại (nhiệt độ, áp suất, tốc độ, mức chất lỏng…) đến PLC. PLC sau đó chuyển tiếp các thông tin này đến HMI. HMI sẽ hiển thị các thông tin này một cách trực quan trên màn hình, giúp người vận hành dễ dàng theo dõi, giám sát toàn bộ quá trình sản xuất và đưa ra các quyết định điều khiển kịp thời.

4. Chức năng của HMI

4.1. Chức năng phần cứng

• Màn hình: Hiển thị trạng thái hoạt động của máy móc, thiết bị, hoặc quy trình sản xuất dưới dạng đồ họa, biểu đồ, số liệu, văn bản,…
• Phím/Nút bấm: Cho phép người dùng thực hiện các lệnh điều khiển nhanh (ví dụ: Start, Stop, Reset,…).
• Chip: Thực hiện các phép tính, xử lý dữ liệu, và điều khiển hoạt động của các thành phần khác trong HMI.
• Bộ nhớ:
  • ROM: Lưu trữ chương trình hệ thống của HMI.
  • RAM: Lưu trữ dữ liệu tạm thời và các biến trong quá trình hoạt động.
  • EPROM/Flash: Lưu trữ chương trình ứng dụng, các giá trị cài đặt, và dữ liệu ghi lại.

4.2. Chức năng phần mềm

Công cụ phát triển HMI:

• Thiết kế giao diện: Cho phép người dùng tạo ra các màn hình hiển thị đồ họa, các nút bấm, các biểu đồ,…
• Lập trình: Cho phép người dùng lập trình các chức năng điều khiển, xử lý dữ liệu, và giao tiếp với các thiết bị khác.
• Cấu hình: Cho phép người dùng cấu hình các thông số của HMI (ví dụ: địa chỉ IP, giao thức truyền thông,…).
• Mô phỏng: Cho phép người dùng mô phỏng hoạt động của HMI trên máy tính trước khi nạp xuống thiết bị thật.
• Ví dụ: Vijeo Designer (Schneider Electric), WinCC (Siemens), EasyBuilder Pro (Weintek), GT Designer (Mitsubishi Electric), NB-Designer (Omron),…

Các lệnh và chức năng điều khiển:

• Đọc/ghi dữ liệu: Đọc dữ liệu từ PLC hoặc các thiết bị khác, và ghi dữ liệu xuống PLC hoặc các thiết bị khác.
• Xử lý logic: Thực hiện các phép toán logic (AND, OR, NOT,…), so sánh, tính toán,…
• Điều khiển: Bật/tắt, chạy/dừng, thay đổi giá trị cài đặt,…
• Cảnh báo: Phát hiện các sự cố và hiển thị cảnh báo.
• Phần mềm hệ thống: Quản lý tài nguyên phần cứng và cung cấp các dịch vụ cho các ứng dụng HMI.

Công cụ kết nối và gỡ lỗi:

• Kết nối: Cho phép kết nối HMI với máy tính để lập trình, cấu hình, và nạp chương trình.
• Gỡ lỗi: Cho phép người dùng tìm và sửa lỗi trong chương trình HMI.

Ứng dụng mô phỏng: Cho phép người dùng mô phỏng hoạt động của HMI trên máy tính trước khi nạp xuống thiết bị thật.

4.3. Giao thức truyền thông

Giao thức truyền thông trong HMI giống như ngôn ngữ chung giữa HMI với các thiết bị khác. Nó quy định cách thức dữ liệu được trao đổi, giúp HMI đọc thông tin từ các thiết bị, gửi lệnh điều khiển,…

5. Tìm hiểu về thiết bị HMI truyền thống và hiện đại

5.1. Thiết bị HMI truyền thống

Trong quá khứ, các hệ thống HMI thường rất đơn giản và cồng kềnh, bao gồm các thiết bị đầu vào và đầu ra vật lý như:

Thiết bị đầu vào:

• Nút nhấn: Để bật/tắt, khởi động/dừng máy móc, hoặc thực hiện các chức năng khác.
• Công tắc: Để chuyển đổi giữa các chế độ hoạt động.
• Bàn phím: Để nhập dữ liệu hoặc các lệnh điều khiển.
• Biến trở: Để điều chỉnh các giá trị analog (ví dụ: tốc độ, nhiệt độ).

Thiết bị đầu ra:

• Đèn báo: Để hiển thị trạng thái hoạt động của máy móc (ví dụ: bật/tắt, chạy/dừng, lỗi).
• Đồng hồ đo: Để hiển thị các giá trị analog (ví dụ: áp suất, nhiệt độ, mức).
• Máy in: Để in ra các báo cáo hoặc dữ liệu.
• Còi báo: Để phát ra âm thanh cảnh báo.

Nhược điểm của HMI truyền thống:

• Các đồng hồ đo và đèn báo thường chỉ cung cấp thông tin giới hạn và không chính xác bằng các thiết bị kỹ thuật số.
• Không có khả năng lưu trữ dữ liệu về hoạt động của máy móc.
• Các thiết bị cơ học dễ bị hỏng hóc và hao mòn.
• Việc lắp đặt, đấu nối, và bảo trì các hệ thống HMI truyền thống rất phức tạp, và việc mở rộng hệ thống thường rất khó khăn.
• Các thiết bị đầu vào và đầu ra vật lý chiếm nhiều không gian trong tủ điện.
• Việc thay đổi hoặc nâng cấp hệ thống thường đòi hỏi phải thay đổi cả phần cứng và đấu nối lại dây điện.

5.2. Thiết bị HMI hiện đại

Ngày nay, các hệ thống HMI đã trở nên hiện đại, nhỏ gọn, và mạnh mẽ hơn rất nhiều. Có hai loại HMI hiện đại chính:

HMI dựa trên PC (thường được gọi là SCADA):

• Sử dụng máy tính (thường là máy tính công nghiệp) làm nền tảng phần cứng, chạy phần mềm HMI/SCADA chuyên dụng.
• Kết nối với PLC và các thiết bị khác thông qua mạng (thường là Ethernet).
• Cung cấp giao diện đồ họa trực quan, cho phép người dùng giám sát và điều khiển toàn bộ hệ thống từ một máy tính trung tâm.

HMI trên nền nhúng (HMI chuyên dụng):

• Là các thiết bị phần cứng chuyên dụng, tích hợp sẵn màn hình cảm ứng, bộ xử lý, bộ nhớ, và các cổng giao tiếp.
• Chạy phần mềm HMI được thiết kế riêng cho thiết bị đó.
• Thường nhỏ gọn, dễ lắp đặt, và có giá thành thấp hơn so với HMI dựa trên PC.

Ưu điểm của HMI hiện đại:

• Hiển thị thông tin chi tiết về trạng thái hoạt động của máy móc, các thông số, cảnh báo, và biểu đồ xu hướng.
• Dễ dàng thay đổi giao diện, thêm chức năng, hoặc nâng cấp phần mềm.
• Việc lắp đặt, cấu hình, và bảo trì HMI hiện đại thường đơn giản hơn so với HMI truyền thống.
• Khả năng kết nối mạnh mẽ với nhiều loại thiết bị và giao thức khác nhau, cho phép tích hợp vào các hệ thống tự động hóa lớn.
• Có thể lưu trữ một lượng lớn dữ liệu về hoạt động của máy móc để phân tích và cải tiến.
• Dễ sử dụng, trực quan, và thân thiện với người dùng.
• Hiển thị thông tin rõ ràng, sắc nét.
• Có thể kết nối với internet, cho phép giám sát và điều khiển từ xa.

Nhược điểm của HMI hiện đại:

• So với các thiết bị HMI truyền thống, HMI hiện đại thường có chi phí đầu tư ban đầu cao hơn.
• Để sử dụng và vận hành hiệu quả các hệ thống HMI hiện đại, người dùng cần được đào tạo về phần mềm, giao thức truyền thông, và các kiến thức liên quan.
• Phần mềm HMI cần được bảo trì và cập nhật thường xuyên để đảm bảo an ninh, sửa lỗi, và bổ sung các tính năng mới.

6. Các ứng dụng của HMI

Trong công nghiệp:

HMI là một phần không thể thiếu trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp, được sử dụng trong hầu hết các ngành như:

• Dầu khí: Giám sát và điều khiển các giàn khoan, nhà máy lọc dầu, đường ống dẫn dầu/khí,…
• Điện tử: Điều khiển dây chuyền lắp ráp linh kiện điện tử, kiểm tra chất lượng sản phẩm,…
• Thép: Điều khiển lò cao, máy cán thép,…
• Dệt may: Điều khiển máy dệt, máy nhuộm, máy cắt vải,…
• Điện: Giám sát và điều khiển các trạm biến áp, nhà máy điện,…
• Nước: Điều khiển các trạm bơm, nhà máy xử lý nước,…
• Ô tô: Điều khiển robot hàn, robot sơn, dây chuyền lắp ráp,…
• Thực phẩm và đồ uống: Điều khiển dây chuyền sản xuất, đóng gói, kiểm tra chất lượng,…

• Dược phẩm: Điều khiển quá trình pha chế, đóng gói thuốc,…
• Hóa chất: Điều khiển các phản ứng hóa học, quá trình chưng cất,…
• Sản xuất xi măng: HMI được sử dụng để điều khiển và giám sát các lò nung, máy nghiền, hệ thống vận chuyển nguyên liệu,… trong nhà máy xi măng.
• Sản xuất giấy: HMI giúp điều khiển các máy xeo giấy, máy nghiền bột, hệ thống xử lý hóa chất,… trong nhà máy giấy.
• Khai thác mỏ: HMI được sử dụng trong các hệ thống điều khiển máy móc khai thác, xe tải tự lái, hệ thống thông gió,… trong các mỏ than, mỏ quặng.

Trong đời sống:

HMI cũng có mặt trong nhiều thiết bị và ứng dụng quen thuộc trong cuộc sống hàng ngày:

• Điện tử tiêu dùng: Đầu đĩa DVD, TV, hệ thống âm thanh, máy chiếu,…
• Thiết bị thông minh: Điện thoại thông minh, máy tính bảng, máy tính xách tay, đồng hồ thông minh,…
• Thiết bị gia dụng: Lò vi sóng, máy giặt, tủ lạnh, điều hòa không khí, máy pha cà phê,…
• Ô tô: Bảng điều khiển trung tâm, hệ thống giải trí,…
• Máy bán hàng tự động: Giao diện cảm ứng trên máy bán hàng tự động, cho phép người dùng chọn sản phẩm, thanh toán, chính là một dạng HMI đơn giản.
• Thang máy: Bảng điều khiển trong cabin và bên ngoài thang máy, với các nút bấm chọn tầng, hiển thị vị trí thang, cũng là một ứng dụng của HMI.

7. Các thông số kỹ thuật của HMI

Khi lựa chọn HMI, bạn cần xem xét các thông số kỹ thuật sau đây:

• Kích thước màn hình: Kích thước được đo bằng inch. Kích thước màn hình cần phù hợp với lượng thông tin cần hiển thị và không gian lắp đặt.
• Độ phân giải màn hình: Số lượng điểm ảnh (pixel) trên màn hình (ví dụ: 800×480, 1024×768,…). Độ phân giải càng cao, hình ảnh hiển thị càng sắc nét.
• Loại màn hình:
  • LCD: Loại màn hình sử dụng tinh thể lỏng để hiển thị hình ảnh.
  • LED: Sử dụng đèn LED để chiếu sáng màn hình.
  • TFT: Một loại màn hình LCD sử dụng transistor màng mỏng để điều khiển từng điểm ảnh, cho chất lượng hình ảnh tốt hơn.
• Độ sáng: Được đo bằng candela trên mét vuông (cd/m²), cho biết độ sáng của màn hình. Độ sáng cao giúp màn hình dễ nhìn hơn trong môi trường có ánh sáng mạnh.
• Độ tương phản: Tỷ lệ giữa độ sáng của điểm ảnh sáng nhất và độ sáng của điểm ảnh tối nhất, cho biết khả năng hiển thị chi tiết của màn hình.
• Bộ xử lý (CPU): Loại và tốc độ của bộ xử lý ảnh hưởng đến hiệu suất của HMI, đặc biệt là khi xử lý đồ họa phức tạp hoặc chạy các ứng dụng nặng.
• Bộ nhớ (Memory):
  • RAM: Dung lượng RAM ảnh hưởng đến khả năng chạy đa nhiệm và xử lý dữ liệu của HMI.
  • ROM/Flash: Dung lượng ROM/Flash quyết định dung lượng lưu trữ chương trình, dữ liệu, và hệ điều hành.
• Cổng giao tiếp (Communication ports): Các loại cổng và số lượng cổng (RS232, RS485, Ethernet, USB,…) quyết định khả năng kết nối của HMI với các thiết bị khác.
• Giao thức truyền thông (Communication protocols): Các giao thức mà HMI hỗ trợ (Modbus RTU/ASCII, Modbus TCP/IP, Profibus/Profinet, EtherNet/IP, CC-Link, CANopen,…) quyết định khả năng tương thích của HMI với các thiết bị khác.

8. Tìm hiểu quy trình xây dựng hệ thống HMI

8.1. Lựa chọn phần cứng

Bước đầu tiên là lựa chọn phần cứng HMI phù hợp với yêu cầu của ứng dụng. Cần xem xét các yếu tố sau:

• Kích thước màn hình: Dựa trên số lượng thông tin cần hiển thị, mức độ chi tiết của đồ họa, và không gian lắp đặt.
• Số lượng phím cứng và phím cảm ứng: Dựa trên nhu cầu điều khiển và thao tác của người vận hành.
• Cổng mở rộng: Xác định các loại cổng giao tiếp cần thiết (RS232, RS485, Ethernet, USB,…) để kết nối với PLC, máy tính, và các thiết bị khác.
• Dung lượng bộ nhớ: Dựa trên dung lượng chương trình, số lượng biến, và nhu cầu lưu trữ dữ liệu.
• Môi trường hoạt động: Chọn HMI có cấp bảo vệ (IP) phù hợp với môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, bụi bẩn,…).
• Các yêu cầu khác: Độ sáng, độ tương phản, góc nhìn, tuổi thọ đèn nền,…

8.2. Thiết kế giao diện

Sau khi chọn phần cứng, bước tiếp theo là thiết kế giao diện người dùng cho HMI. Quá trình này thường được thực hiện bằng phần mềm lập trình HMI chuyên dụng (ví dụ: EasyBuilder Pro, WinCC, GT Designer,…). Các bước chính bao gồm:

Cấu hình phần cứng và lựa chọn giao thức:

• Chọn loại HMI và cấu hình các thông số phần cứng (ví dụ: địa chỉ IP, cổng COM,…).
• Chọn giao thức truyền thông phù hợp để kết nối với PLC hoặc các thiết bị khác.

Thiết kế màn hình:

• Tạo các màn hình (screen) khác nhau để hiển thị thông tin và cho phép người dùng tương tác.
• Sử dụng các đối tượng đồ họa (object) như nút bấm, đèn báo, đồng hồ đo, biểu đồ, hình ảnh,… để hiển thị thông tin và tạo ra các nút điều khiển.
• Bố trí các đối tượng trên màn hình một cách hợp lý, dễ nhìn, và dễ sử dụng.

Gán biến (tagging):

• Tạo các biến (tag) để liên kết các đối tượng trên màn hình HMI với các địa chỉ ô nhớ (memory address) trong PLC hoặc các thiết bị khác.
• Ví dụ: Gán biến “Temperature” cho một đối tượng hiển thị số để hiển thị giá trị nhiệt độ đọc từ cảm biến.

Sử dụng đối tượng đặc biệt: Một số phần mềm HMI cung cấp các đối tượng đặc biệt như thanh trượt, ô nhập liệu, danh sách lựa chọn,… để giúp người dùng dễ dàng nhập liệu và điều khiển.

Lập trình script (tùy chọn): Một số phần mềm HMI cho phép người dùng viết các đoạn mã script (ví dụ: bằng ngôn ngữ C, Visual Basic,…) để thực hiện các chức năng phức tạp hơn, chẳng hạn như xử lý dữ liệu, tính toán, điều khiển theo logic,…

Mô phỏng và gỡ lỗi:

• Sử dụng chức năng mô phỏng (simulation) của phần mềm để kiểm tra hoạt động của giao diện HMI trên máy tính trước khi nạp xuống thiết bị thật.
• Sửa lỗi (debug) nếu có bất kỳ vấn đề gì xảy ra.

Nạp chương trình xuống thiết bị HMI:

• Kết nối HMI với máy tính thông qua cáp lập trình.
• Sử dụng phần mềm để nạp (download) chương trình đã thiết kế xuống bộ nhớ của HMI.

Có thể bạn quan tâm: Hướng dẫn 4 bước thiết kế giao diện HMI đẹp dễ sử dụng

Xem thêm:

• Khám phá 5 ứng dụng của HMI trong công nghiệp sản xuất
• HMI Siemens là gì ? Phân loại HMI và ứng dụng
• HMI Delta là gì và ưu nhược điểm của chúng?

Giờ đây, bạn đã nắm rõ về khái niệm “HMI là gì”. Và các thành phần cấu tạo, cũng như cách thức hoạt động của nó. Nếu bạn cần được tư vấn về màn hình HMI Siemens, hãy liên hệ ngay tới hotline của Thanh Thiên Phú để được hỗ trợ nhanh nhất nhé!