Chắc hẳn đôi lần chúng ta nghe nhắc đến HMI nhưng cụ thể đó là thiết bị có chức năng như thế nào và cấu tạo ra sao thì rất mơ hồ đúng không nào? Đó là những kiến thức cần thiết để bạn có thể ứng dụng HMI vào trong sản xuất. Nếu bạn quan tâm thì đừng bỏ lỡ bài viết này nhé!
Contents
HMI là gì?
Bạn biết không? Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ thời kỳ 4.0 đã làm cho diện mạo từ sản xuất cho đến đời sống thay đổi theo chiều hướng năng động, linh hoạt, hiệu quả hơn. Trong các thiết bị tự động hóa đó, chúng ta không quên nhắc đến HMI.
HMI là viết tắt của một cụm từ đầy đủ Human – Machine – Interface. Nó là một thiết bị dùng để giao tiếp giữa con người với các máy móc, thiết bị, hệ thống làm việc. Hoặc bạn có thể hiểu đơn giản hơn đó chính là cách mà con người có thể giao tiếp, điều khiển máy móc thông qua 1 màn hình. Và ứng dụng của thiết bị này rất cần thiết trong ngành công nghiệp hiện nay.
Các khái niệm và thuật ngữ cơ bản của HMI
HMI cũng giống với nhiều thiết bị tự động hóa đó là có những thuật ngữ mà khách hàng, người có nhu cầu sử dụng cần phải quan tâm và nắm bắt.
Screen (Màn hình)
Màn hình là nơi chứa đựng các chương trình dạng ngữ cảnh hay còn gọi là Script, các biến số tag và các đối tượng.
Màn hình là một thành phần không thể thiếu của phần mềm ứng dụng HMI. Nó được xây dựng dựa trên phần mềm phát triển HMI sau đó nó sẽ được nạp xuống thiết bị để chạy.
Tags (Biến số)
Các thẻ tag chính là đối tượng đóng vai trò trung gian, liên kết giữa PLC và HMI. Nó bao gồm các biến số quá trình ở trong các thiết bị trên mạng điều khiển như: trong thiết bị đo lường thông minh, trong PLC, trong thiết bị nhúng controller… Nó còn bao gồm các biến số nội tại bên trong hệ điều hành HMI. Mục đích là để làm các biến số trung gian cho quá trình tính toán.
Kiểu biến
Các bạn có thể tham khảo một số kiểu biến là data type và tag type như:
Byte: 0 ÷ 255
Bit: 0/1 (true/false)
Interger (Nguyên): -32512 ÷ +32512
Word: 2 byte = 0 ÷ 65025
String: abc
Long, Float, BCD.
Chương trình script
Có 2 chương trình khác nhau để khách hàng chọn:
+ Chương trình Script đối tượng: Là chương trình chỉ tác động đến một đối tượng. Đó chính là các đoạn mã chương trình được viết riêng cho các sự kiện của đối tượng trong quá trình làm việc. Ví dụ: Sự kiện nhấn nút, button.
+ Chương trình Script toàn cục: Đó chính là đoạn mã chương trình có khả năng tác động đến toàn bộ hệ thống của HMI.
Trend
Trend chính là dạng đồ thị biểu diễn sự thay đổi của 1 tag hay còn gọi là 1 biến theo thời gian. Có 2 loại trend được sử dụng đó là: Trend quá trứ và trend hiện tại.
Alarm (Cảnh báo)
Cảnh báo là đối tượng để đưa ra thông báo khi hệ thống có sự cố hoặc đưa ra các báo động cho người dùng.
Bar Graph
Nó có dạng thanh, dùng để thể hiện sự thay đổi liên tục của các chỉ số: nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, mực nước.
Cấu tạo và các chức năng của HMI
Một HMI sẽ có cấu tạo gồm 3 phần chính đó là:
Phần cứng
Phần cứng của HMI sẽ gồm những thiết bị vi mạch điện tử, khung, màn hình, thân vỏ… Cụ thể chức năng của từng bộ phận như sau:
+ Các phím bấm để thao tác.
+ Bộ nhớ chương trình: ROM, RAM, EPROM/FLASH.
+ Màn hình: Tùy theo từng loại model mà kích thước của màn hình sẽ lớn hay nhỏ. Màn hình cảm ứng để người vận hành dùng tay chạm nhằm điều khiển các thao tác. Các bạn đừng lo lắng rằng nó quá phức tạp, thực tế là nó như cách ta sử dụng điện thoại smart phone. Màn hình này còn giúp hiển thị 1 số tính hiệu hoạt động của máy, trạng thái. Nó phụ thuộc vào chương trình do người lập trình viết nên.
+ Chip: Chính là các CPU của màn hình.
Phần mềm
Phần mềm của HMI bao gồm 5 bộ phận:
+ Công cụ mô phỏng
+ Các lệnh và các hàm
+ Phần mềm phát triển
+ Các công cụ kết nối, công cụ gỡ rối, công cụ nạp chương trình
+ Một số công cụ xây dựng HMI.
Truyền thông
Truyền thông của HMI bao gồm:
+ Cổng truyền thông: Ethernet, RS232, USB, RS485…
+ Giao thức truyền thông: CANbus, Modbus, PPI, PROFIBUS, MPI…
Nguyên lý hoạt động của HMI
HMI là thiết bị tự động hóa hiện đại. Nguyên lý hoạt động của nó cũng không quá phức tạp. Bạn có thể hiểu là nó là một giao diện vận hành, ở giữa, trung gian kết nối máy móc và con người.
HMI sẽ được kết nối với các thiết bị khác thông qua cáp tín hiệu. Khi người kỹ thuật vận hành nhấn các nút hoặc chạm cảm ứng trên màn hình hoặc cài đặt các thông số máy. Những yêu cầu này sẽ được gửi đến PLC. PLC nhận tín hiệu và tiến hành điều khiển máy móc, hệ thống, dây chuyền hoạt động.
Không những vậy, trong quá trình hoạt động các máy móc hay dây chuyền có thể gửi tín hiệu ngược lại bao gồm thông số và trạng thái hoạt động để thể hiện trên màn hình HMI. Từ đó thông qua HMI và PLC thì con người có thể giám sát và điều khiển thuận tiện. So với trước đây thì HMI mang đến cho người dùng nhiều tiện ích hơn, đảm bảo công việc năng suất, hiệu quả và bớt cực nhọc hơn.
Phân loại HMI
Mặc dù có nhiều cách để phân loại HMI nhưng chúng tôi chọn cách đơn giản nhất đó là phân thành 2 loại:
HMI truyền thống
HMI truyền thống là những HMI đời đầu với thiết kế sẽ bao gồm:
+ Thiết bị nhập thông tin: Nút bấm cứng, bàn phím, công tắc chuyển mạch.
+ Thiết bị xuất thông tin: Các bộ tự ghi dùng giấy, đèn báo nhiều màu, còi hoặc chuông và các loại đồng hồ đo.
Tất nhiên HMI truyền thống sẽ có những nhược điểm nhất định buộc con người phải phát minh, cải tiến HMI hiện đại như:
+ Thông tin cung cấp chưa đầy đủ và chưa chính xác, ảnh hưởng rất lớn đến việc điều khiển và vận hành hệ thống.
+ Khả năng lưu trữ thông tin bị hạn chế.
+ Đối với những hệ thống lớn, phức tạp thì HMI truyền thống sẽ rất khó mở rộng và không đáp ứng những yêu cầu phức tạp.
+ Độ ổn định cũng như tin cậy khi làm việc thấp.
HMI hiện đại
Sự phát triển vượt bậc của truyền thông, thiết bị điện tử và viễn thông đã đặt ra một bài toán cho con người đó là tối ưu các HMI sao cho đáp ứng các yêu cầu công việc mới. Và điều này đã được thực hiện một cách dễ dàng. Và người ta gọi đó là HMI hiện đại.
Ngày nay, có 2 loại HMI hiện đại đang được sử dụng đó là:
+ HMI trên nền các máy tính nhúng: HMI chuyên dụng, sử dụng hệ điều hành Window loại CE 6.0
+ HMI trên nền máy PC và Window/Mac: Citect, SCADA…
Và chắc chắn với những điểm cải tiến mạnh mẽ thì HMI hiện đại có rất nhiều ưu điểm:
+ Khả năng lưu trữ của thiết bị cao hơn.
+ HMI hiện đại có tính chính xác, nhanh chóng, kịp thời và đầy đủ của thông tin hơn.
+ Thiết bị có tính mở: Mở ở đây chính là khả năng kết nối mạnh, kết nối với nhiều thiết bị với nhiều kiểu giao thức khác nhau.
+ HMI hiện đại có tính mềm dẻo khi người dùng có thể thay đổi và bổ sung những thông tin cần thiết.
+ Hệ thống HMI đơn giản, tạo điều khiển cho các kỹ sư có thể dễ sửa chữa, vận hành và mở rộng.
Theo như quan sát của chúng tôi thì hầu hết các hệ thống SCADA hiện đại luôn có sự xuất hiện của HMI. Và vị trí của nó trong hệ thống tự động hóa này đó là ở cấp giám sát, điều khiển.
Các thông số kỹ thuật của HMI
Nếu bạn quan tâm đến HMI thì cần chú ý đến những thông số gì? Đó chính là 6 thông số cơ bản để biết được HMI đó có phù hợp và đáp ứng nhu cầu của bạn hay không.
+ Số lượng và các cổng mở rộng: Nó có thể là USB, Printer, SD card, CF card…
+ Kích thước màn hình: Màn hình lớn hoặc nhỏ sẽ quyết định đến số lượng thông tin cần hiển thị đồng thời của HMI.
+ Số lượng của các hàm lệnh, của các đối tượng mà HMI hỗ trợ.
+ Dung lượng bộ nhớ: Đây có thể xem là thông số quan trọng nhất. Nó bao gồm bộ nhớ dữ liệu, bộ nhớ chương trình và Flash dữ liệu. Dung lượng bộ nhớ là yếu tố quyết định số lượng screen, số lượng tối đa các biến số và dung lượng lưu trữ thông tin cần thiết như: Hình ảnh, lịch sử data, backup và Recipe…
+ Chuẩn truyền thông HMI: Là tất cả các giao thức hỗ trợ tín hiệu qua lại hoặc hỗ trợ truyền thông in ấn.
+ Số lượng các phím màn hình: Trên HMI hiện nay có 2 loại phím là phím bấm và phím cảm ứng, chúng hỗ trợ mở rộng các thao tác vận hành.
HMI được ứng dụng ở đâu?
Như chúng tôi đã nói ở đầu, HMI có khả năng ứng dụng rất phong phú không chỉ dừng lại trong lĩnh vực công nghiệp mà còn trong các hoạt động đời sống. Khi cả thế giới bước vào thời kỳ công nghiệp 4.0 thì HMI trở thành 1 thiết bị không thể thiếu để góp phần thúc đẩy, cơ cấu lại các dây chuyền, hệ thống sao cho công đoạn, quy trình được hiệu quả, chính xác và năng suất hơn.
Trong công nghiệp
HMI chính là một màn hình máy tính để các kỹ thuật viên quan sát và có những điều khiển, điều chỉnh nhanh, phù hợp. Dù ở xa nhưng các nhân viên bảo trì vẫn có thể giám sát máy móc thông qua HMI. Họ có thể cập nhật những thông tin: xử lý số liệu, nhiệt độ, vật liệu, áp suất, độ ẩm… HMI sẽ giúp đơn giản hóa các phần tử vật lý mà chúng ta thường thấy khá rắc rối như: Nút nhấn, thanh gạt, công tắc, biến trở…nhất là khi bắt đầu hình thành và phát triển 1 hệ thống máy phức tạp. Với màn hình dao diện đồ họa, nó hiển thị một cách đầy đủ và khá chi tiết các thông tin và thông số.
Bên cạnh đó, HMI còn đùng để hiển thị mức và tình trạng của chất lỏng, chất rắn, hóa chất trong silo, bể chứa, tank, truyền tải và cập nhật thông tin cho các kỹ thuật đang điều hành. HMI hiện đại có thể cùng 1 lúc giám sát, kiểm soát nhiều máy móc, thiết bị trong hệ thống sản xuất.
HMI ứng dụng nhiều trong nhà máy sản xuất và lắp ráp ô tô, dệt may, lắp ráp điện tử, sản xuất xi măng, hóa chất hay chế phẩm từ lọc, hóa dầu, cơ khí chế tạo máy, sản xuất thuốc và thiết bị y tế…
Trong thực tế đời sống hằng ngày
HMI được sử dụng trên các máy giặt, máy sấy, tủ lạnh, tủ cấp đông thông qua các nút nhấn nhiều màu sắc, đèn LED báo để người dùng có thể cài đặt, điều chỉnh chế độ cho phù hợp với nhu cầu.
Đối với các lò nướng, lò vi sóng, lò viba, thông qua HMI người dùng có thể điều chỉnh thời gian và nhiệt độ.
HMI còn xuất hiện quen thuộc hơn khi nó là 1 màn hình cảm ứng: Tivi, điện thoại smartphone, đồng hồ thông minh, máy tính bảng…
Quy trình xây dựng hệ thống HMI
Để xây dựng hệ thống HMI thì chúng ta phải thực hiện theo 1 quy trình gồm 2 bước:
Lựa chọn phần cứng
Để có thể lựa chọn phần cứng thích hợp thì phải dựa trên 4 yếu tố:
+ Lựa chọn số phím cảm ứng, số phím cứng tối đa có thể sử dụng cùng 1 lúc.
+ Chọn kích cỡ màn hình: Một màn hình HMI được lựa chọn khi có nhu cầu đồ thị, đồ họa, số lượng thông tin cảm biến, thông số cảm biến hiển thị đồng thời phù hợp.
+ Lựa chọn dung lượng bộ nhớ: Dựa trên số lượng trang màn hình cần hiển thị, thông số cần thu thập số liệu, thông số lưu trữ dữ liệu.
+ Chọn các cổng mở rộng cần thiết khi muốn: Đọc mã vạch, in ấn hay kết nối các thiết bị ngoại vi.
Xây dựng giao diện
+ Đầu tiên phải quan tâm đến phần cứng: Chọn chuẩn giao thức và chọn phần cứng phù hợp
+ Tiến hành xây dựng màn hình
+ Gá các tag (biển hiệu) cho từng đối tượng
+ Tiếp theo là viết các chương trình
+ Sau đó sẽ mô phỏng và thực hiện gỡ rối chương trình
+ Cuối cùng, sau khi đã hoàn thành các bước trên là nạp thiết bị xuống HMI.
