HMI là gi? Ứng dụng của HMI trong điều khiển tự động hoá

I. HMI

1. HMI là gì? hiện nay đã quá quen thuộc với con người, đặc biệt trong công nghiệp, nó đóng vai trò vô cùng quan trọng trong phần giao tiếp giữa người và máy.

   HMI là từ viết tắt của Human-Machine-Interface, có nghĩa là thiết bị giao tiếp giữa người điều hành thiết kế với máy móc thiết bị.

Nói một cách chính xác, bất cứ cách nào mà con người “giao diện” với một máy móc thì đó là một HMI. Cảm ứng trên lò viba của bạn là một HMI, hệ thống số điều khiển trên máy giặt, bảng hướng dẫn lựa chọn phần mềm hoạt động từ xa trên TV đều là HMI,…

Bộ truyền và cảm biến trước kia đều không có HMI, nhiều thiết bị trong số đó thậm chí không có cả một HMI đơn giản như một hiển thị đơn thuần. Rất nhiều trong số đó không có hiển thị, chỉ với một tín hiệu đầu ra. Một số có một HMI thô sơ: một hiển thị ASC II đơn hoặc hai dòng ASCII với một tập hợp các arrow cho lập trình, hoặc 10 phím nhỏ. Có rất ít các thiết bị hiện trường, cảm biến và bộ phân tích từng có bảng HMI thực sự có khả năng cung cấp hình ảnh đồ họa tốt, có cách thức nhập dữ liệu và lệnh đơn giản, dễ hiểu, đồng thời cung cấp một cửa sổ có độ phân giải cao cho quá trình. 

HMI sử dụng toàn bộ máy tính và màn hình hiển thị thì hạn chế đối với các phòng điều khiển bởi vì mạch máy tính, màn hình và ổ đĩa dễ hỏng. Vỏ bọc được phát triển để giúp cho HMI sử dụng máy tính có thể định vị bên ngoài sàn nhà máy, nhưng rất rộng, kềnh càng và dễ hỏng do sức nóng, độ ẩm, sự rửa trôi và các sự cố khác ở sàn nhà máy. 

HMI máy tính trước đây cũng tiêu thụ rất nhiều điện năng. Một máy tính “desktop” thông thường trong những năm 80 của thế kỷ 20 có công suất 200 W. 

2. Hỗ trợ người vận hành 

Khi các quá trình ở sàn nhà máy được tự động hóa nhiều hơn, người điều khiển cần có thêm nhiều thông tin về quá trình, và yêu cầu về hiển thị và điều khiển nội bộ trở nên phức tạp hơn. Một trong những đặc điểm tiến bộ trong lĩnh vực này là hiển thị dạng cảm ứng. Điều này giúp cho người điều khiển chỉ cần đơn giản ấn từng phần của hiển thị có một “nút ảo” trên thiết bị để thực hiện hoạt động hay nhận hiển thị. Nó cũng loại bỏ yêu cầu có bàn phím, chuột và gậy điều khiển, ngoại trừ công tác lập trình phức tạp ít gặp có thể được thực hiện trong quá trình rửa trôi. 

Một ưu điểm khác nữa là hiển thị dạng tinh thể lỏng. Nó chiếm ít không gian hơn, mỏng hơn hiển thị dạng CRT, và do đó có thể được sử dụng trong những không gian nhỏ hơn. 

Ưu điểm lớn nhất là trong các máy tính nhúng có hình dạng nhỏ gọn giúp nó thay thế hiển thị 2 đường trên một công cụ thông thường hay trên bộ truyền với một HMI có đầy đủ tính năng. 

Người điều khiển làm việc trong không gian rất hạn chế tại sản nhà máy. Đôi khi không có chỗ cho họ, các công cụ, phụ tùng và HMI cỡ lớn nên họ cần có HMI có thể di chuyển được.


II. Các thiết bị HMI truyền thống:

1.HMI truyền thống bao gồm: 

• Thiết bị nhập thông tin: công tắc chuyển mạch, nút bấm…
• Thiết bị xuất thông tin: đèn báo, còi, đồng hồ đo, các bộ tự ghi dùng giấy.

2. Nhược điểm của HMI truyền thống:

• Thông tin không đầy đủ.
• Thông tin không chính xác.
• Khả năng lưu trữ thông tin hạn chế.
• Độ tin cậy và ổn định thấp.
• Đối với hệ thống rộng và phức tạp: độ phức tạp rất cao và rất khó mở rộng.

III. Các thiết bị HMI hiện đại:

Do phát sự phát triển của Công nghệ thông tin và Công nghệ Vi điện tử, HMI ngày nay sử dụng các thiết bị tính toán mạnh mẽ.

1. HMI hiện đại chia làm 2 loại chính:

• HMI trên nền PC và Windows/MAC: SCADA.
• HMI trên nền các máy tính nhúng: HMI chuyên dụng
• Ngoài ra còn có một số loại HMI biến thể khác MobileHMI dùng Palm, PoketPC.

2. Các ưu điểm của HMI hiện đại:

• Tính đầy đủ kịp thời và chính xác của thông tin.
• Tính mềm dẻo, dễ thay đổi bổ xung thông tin cần thiết.
• Tính đơn giản của hệ thống, dễ mở rộng, dễ vận hành và sửa chữa.
• Tính “Mở”: có khả năng kết nối mạnh, kết nối nhiều loại thiết bị và nhiều loại giao thức.
• Khả năng lưu trữ cao.

3.Vị trí của HMI trong hệ thống tự động hoá hiện đại:

HMI luôn có trong các hệ SCADA hiện đại, vị trí của HMI ở cấp điều khiển, giám sát:

HMI Scada System

4. Các thành phần của HMI:

• Phần cứng: 
• Màn hình:
• Các phím bấm
• Chíps: CPU, ROM,RAM, EPROM/Flash, …
• Phần Firmware:
• Các đối tượng
• Các hàm và lệnh
• Phần mềm phát triển:
• Các công cụ xây dựng HMI.
• Các công cụ kết nối, nạp chương trình và gỡ rối.
• Các công cụ mô phỏng
• Truyền thông:
• Các cổng truyền thông.
• Các giao thức truyền thong

5. Các thông số đặc trưng của HMI:

• Độ lớn màn hình: quyết định thông tin cần hiển thị cùng lúc của HMI.
• Dung lượng bộ nhớ chương trình, bộ nhớ dữ liệu, Flash dữ liệu: quyết định số lượng tối đa biến số và dung lượng lưu trữ thông tin.
• Số lượng các phím và các phím cảm ứng trên màn hình: khả năng thao tác vận hành.
• Chuẩn truyền thông, các giao thức hỗ trợ.
• Số lượng các đối tượng, hàm lệnh mà HMI hỗ trợ.
• Các cổng mở rộng: Printer, USB, CF, PCMCIA, PC100...

6. Quy trình xây dựng hệ thống HMI:

a. Lựa chọn phần cứng:

• Lựa chọn kích cở màn hình: trên cơ sở số lượng thông số/thông tin cảm biến hiển thị đồng thời. nhu cầu về đồ thị, đồ họa(lưu trình công nghệ...).
• Lựa chọn số phím cứng, số phím cảm ứng tối đa cùng sử dụng cùng lúc.
• Lựa chọn các cổng mở rộng nếu có nhu cầu in ấn, đọc mã vạch, kết nối các thiết bị ngoại vi khác.
• Lựa chọn dung lượng bộ nhớ: theo số lượng thông số cần thu thập số liệu, lưu trữ dữ liệu, số lượng trang màn hình cần hiển thị.

b. Xây dựng giao diện:

• Cấu hình phần cứng: chọn phần cứng, chuẩn giao thức...
• Xây dựng các màn hình.
• Gán các biến số (tag) cho các đối tượng.
• Sử dụng các đối tượng đặc biệt.
• Viết các chương trình script (tùy chọn).
• Mô phỏng và gỡ rối chương trình.
• Nạp thiết bị xuống HMI.

7. Các thuật ngữ và khái niệm cơ bản của HMI:

a. Màn hình( Screen ):

• Là thành phần của phần mềm ứng dụng HMI được xây dựng trên công cụ phần mềm phát triển HMI và được nạp xuống thiết bị để chạy.
• Là nơi chứa đựng các đối tượng (Obj), các biến số (tags), các chương trình dạng ngữ cảnh (script).

Đối tượng HMI

b. Biến số (Tags):

Gồm các biến số nội tại bên trong hệ điều hành thiết bị HMI, dùng để làm các biến số trung gian cho quá trình tính toán, các biến số quá trình trong các thiết bị trên mạng điều khiển: trong PLC, trong thiết bị đo lường thông minh, trong các thiết bị nhúng nà controller khác...

c. Kiểu biến:

- Kiểu biến số (Tag type/Data type ):
• Bit: 0/1 (true/false)
• Byte: 0...255
• Word: 2 byte = 0...65025.
• Interger (Nguyên): -32512...+32512
• Long, Float, BCD.
• String: abc.

d. Chương trình script:

• Script toàn cục (global): đoạn mã chương trình Script có tác động đến toàn bộ hệ thống HMI
• Script đối tượng (Object script): là script chỉ tác dụng đến đối tượng đó. Thường là các đoạn mã chương trìnhviết cho các sự kiện (event) của đối tượng. Ví dụ: Script cho button, với sự kiễn “nhấn nút”.

e. Trend: 

Là dạng đồ thị biểu diễn sự thay đổi của một biến(tag) theo thời gian.
Có 2 loại trend chính: Trend hiện thời và trend quá khứ (history).

f. Cảnh báo Alarm:

Là một loại đối tượng để đưa ra các báo động hay thông báo sự cố cho hệ thống.

HMI là gi? Ứng dụng của HMI trong điều khiển tự động hoá