1. HMI là gì?

HMI (Human – Machine – Interface) là thiết bị giao tiếp giữa con người và máy móc, cho phép người vận hành theo dõi, điều khiển và giám sát hệ thống thông qua một màn hình giao diện trực quan. Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, HMI giữ vai trò then chốt trong quá trình tự động hóa, giúp nâng cao hiệu quả quản lý và vận hành dây chuyền. 

2. HMI được ứng dụng ở đâu?

Trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, thiết bị HMI trở thành công cụ không thể thiếu trong việc thúc đẩy tự động hóa và tối ưu quy trình sản xuất. HMI hỗ trợ điều khiển chính xác các quy trình phức tạp, giảm thiểu sai sót và nâng cao năng suất hoạt động.

Vì tính linh hoạt và hiệu quả cao, HMI được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, bao gồm:

• Ngành dầu khí

• Ngành điện và tự động hóa

• Ngành sản xuất thép

• Công nghiệp điện tử

• Ngành dệt may

• Ngành cấp thoát nước

• Công nghiệp ô tô, xe máy

• Và nhiều dây chuyền sản xuất khác cần sự kiểm soát và giám sát chặt chẽ.

3. Cấu tạo của HMI

HMI (Human Machine Interface) có cấu tạo gồm ba thành phần chính: phần cứng, phần mềm và hệ thống truyền thông. 

Phần cứng HMI: Bao gồm màn hình hiển thị, chip xử lý, CPU, bộ nhớ ROM, RAM và các nút bấm vật lý. Đây là nền tảng vật lý cho phép người dùng trực tiếp thao tác, điều khiển và giám sát hệ thống.

Phần mềm HMI: Bao gồm các hàm điều khiển, đối tượng giao diện (objects), công cụ mô phỏng, công cụ xây dựng giao diện và nạp chương trình. Phần mềm tạo nên trí tuệ của HMI, cho phép thiết kế giao diện người dùng và kết nối với các hệ thống điều khiển khác.

Hệ thống truyền thông: Bao gồm các cổng kết nối như USB, Ethernet, RS232, RS485 cùng các giao thức phổ biến như Modbus, MPI, CANbus… Hệ thống này giúp HMI dễ dàng kết nối với PLC, máy móc và các thiết bị điều khiển trong dây chuyền sản xuất.

4. Phân loại HMI phổ biến hiện nay

HMI ngày nay được phân loại dựa trên nền tảng hoạt động:

HMI nền PC: Thường chạy trên hệ điều hành Windows và được tích hợp trong các hệ thống giám sát SCADA. Ví dụ: phần mềm Citect SCADA, WinCC.

HMI nhúng (Embedded HMI): Là loại HMI chuyên dụng sử dụng thiết bị nhúng làm nền tảng, có thiết kế nhỏ gọn, tiết kiệm điện năng và phù hợp với các hệ thống điều khiển độc lập, chi phí thấp.

Ngoài ra, còn có một số dạng HMI di động như MobileHMI sử dụng thiết bị cầm tay (Palm, PocketPC), mang lại tính linh hoạt cao trong giám sát và điều khiển từ xa.

5. Nguyên lý hoạt động của HMI là gì?

Nguyên lý hoạt động của HMI (Human Machine Interface) dựa trên cơ chế trao đổi dữ liệu hai chiều giữa HMI và các thiết bị điều khiển như PLC (Programmable Logic Controller). Quy trình hoạt động cơ bản diễn ra theo các bước sau:

Thu thập dữ liệu: PLC nhận dữ liệu từ các cảm biến, công tắc, và thiết bị đầu vào trong hệ thống tự động hóa công nghiệp.

Truyền dữ liệu về HMI: PLC gửi dữ liệu đến HMI thông qua các giao thức truyền thông phổ biến như Modbus, Profibus, Profinet, EtherNet/IP,…

Xử lý và hiển thị thông tin: HMI tiếp nhận và xử lý dữ liệu, sau đó hiển thị thông tin lên màn hình dưới dạng đồ họa trực quan như biểu đồ, bảng số liệu, hoặc hình ảnh để người vận hành dễ dàng theo dõi.

Tương tác và điều khiển: Người vận hành thao tác trực tiếp trên màn hình cảm ứng hoặc qua bàn phím/chuột để gửi lệnh điều khiển tới hệ thống.

Truyền lệnh điều khiển đến PLC: HMI gửi các lệnh thao tác của người dùng trở lại PLC.

Thực thi lệnh: PLC xử lý lệnh và điều khiển thiết bị đầu ra như động cơ, van, băng tải… để thực hiện hành động theo yêu cầu.

6. Các tính năng nổi bật của HMI trong công nghiệp

HMI không chỉ là thiết bị hiển thị mà còn tích hợp nhiều tính năng mạnh mẽ, hỗ trợ giám sát và điều khiển hệ thống sản xuất hiệu quả. Dưới đây là những chức năng chính của HMI:

Hiển thị trực quan dữ liệu

Chuyển đổi dữ liệu kỹ thuật thành thông tin dễ hiểu như biểu đồ, hình ảnh và văn bản, giúp người vận hành dễ dàng giám sát các thông số quan trọng như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, mức nguyên vật liệu,...

Điều khiển và giám sát hệ thống

Cho phép người dùng gửi lệnh điều khiển đến PLC và theo dõi trạng thái hoạt động của máy móc theo thời gian thực, từ đó phát hiện và xử lý sự cố kịp thời.

Cảnh báo và báo động thông minh

HMI có thể phát hiện lỗi và cảnh báo người vận hành bằng âm thanh, đèn tín hiệu hoặc hiển thị thông báo khi hệ thống có sự cố hoặc vượt ngưỡng an toàn.

Ghi nhật ký và lưu trữ dữ liệu

HMI hỗ trợ lưu trữ các sự kiện, thông số vận hành theo thời gian thực để phục vụ cho việc đánh giá hiệu suất sản xuất và phân tích nguyên nhân lỗi.

Quản lý và xuất dữ liệu sản xuất

Cho phép thu thập, lưu trữ và xuất dữ liệu dưới nhiều định dạng như CSV, Excel hoặc truyền trực tiếp vào hệ thống quản lý để phục vụ phân tích và lập báo cáo.

Kết nối mạng linh hoạt

HMI hiện đại hỗ trợ kết nối qua Ethernet, Internet hoặc mạng di động, giúp giám sát và điều khiển hệ thống từ xa mọi lúc, mọi nơi.

7. Lợi ích của HMI trong sản xuất công nghiệp

Việc tích hợp HMI (Human Machine Interface) trong hệ thống điều khiển công nghiệp mang lại nhiều lợi ích rõ rệt. Dưới đây là các lợi ích của HMI nổi bật:

Nâng cao hiệu suất vận hành

HMI giúp người vận hành theo dõi và điều khiển hệ thống một cách trực quan, dễ dàng. Nhờ đó, quy trình sản xuất được tối ưu hóa, giảm thiểu thao tác thủ công và tăng năng suất lao động.

Giảm thiểu thời gian dừng máy (Downtime)

Nhờ khả năng giám sát theo thời gian thực và phát hiện sớm lỗi hệ thống, HMI giúp xử lý sự cố kịp thời, giảm thời gian ngừng hoạt động và tổn thất sản xuất.

Cải thiện chất lượng sản phẩm

HMI hỗ trợ giám sát chặt chẽ các thông số quan trọng như nhiệt độ, áp suất, tốc độ... giúp duy trì ổn định quá trình sản xuất và đảm bảo chất lượng sản phẩm đầu ra.

Tối ưu chi phí vận hành

Việc giảm thiểu lỗi do con người, rút ngắn thời gian ngừng máy và giảm nhu cầu can thiệp thủ công giúp doanh nghiệp tiết kiệm chi phí vận hành và bảo trì thiết bị.

Tăng cường an toàn lao động

HMI có thể cảnh báo khi xảy ra các tình huống nguy hiểm như quá tải, rò rỉ, quá nhiệt…, từ đó giúp ngăn ngừa tai nạn và bảo vệ an toàn cho con người cũng như thiết bị.

Hỗ trợ thu thập và phân tích dữ liệu

HMI có chức năng ghi nhật ký hoạt động và lưu trữ dữ liệu sản xuất. Việc phân tích dữ liệu giúp cải thiện hiệu suất hệ thống và đưa ra các quyết định quản lý dựa trên cơ sở dữ liệu thực tế.

Khả năng mở rộng linh hoạt

HMI có thể dễ dàng tùy biến, nâng cấp và mở rộng để phù hợp với yêu cầu thay đổi của nhà máy và công nghệ trong tương lai.

8. Quy trình xây dựng hệ thống HMI chuẩn công nghiệp

Việc thiết kế và triển khai hệ thống HMI (Human Machine Interface) hiệu quả đòi hỏi một quy trình bài bản và khoa học. Dưới đây là quy trình xây dựng HMI theo từng bước cụ thể:

Bước 1: Xác định yêu cầu hệ thống (Requirements Gathering)

Đây là bước đầu tiên và đóng vai trò then chốt trong toàn bộ quy trình thiết kế HMI. Cần xác định rõ:

• Mục tiêu sử dụng hệ thống HMI;

• Các chức năng giám sát và điều khiển cần có;

• Loại dữ liệu và số lượng tín hiệu cần hiển thị;

• Các thao tác mà người vận hành cần thực hiện trên giao diện;

• Điều kiện môi trường hoạt động như nhiệt độ, độ ẩm, bụi bẩn...

• Các tiêu chuẩn kỹ thuật và an toàn công nghiệp cần tuân thủ.

Bước 2: Lựa chọn phần cứng và phần mềm HMI (Hardware and Software Selection)

Dựa vào yêu cầu đã xác định, cần lựa chọn:

Phần cứng HMI phù hợp với môi trường và mục đích sử dụng: kích thước màn hình, độ phân giải, bộ xử lý, bộ nhớ, cổng giao tiếp (Ethernet, RS-232/485…);

Phần mềm lập trình HMI tương thích với phần cứng và có khả năng kết nối với PLC hoặc các thiết bị ngoại vi khác.

Bước 3: Thiết kế giao diện người dùng (Interface Design)

Thiết kế giao diện HMI cần đảm bảo trực quan, dễ sử dụng và thân thiện với người vận hành. Cần chú ý:

• Bố cục màn hình rõ ràng, logic;

• Màu sắc hài hòa, ưu tiên sự tương phản để dễ quan sát;

• Biểu tượng và hình ảnh đơn giản, dễ hiểu;

• Vị trí các nút bấm điều khiển hợp lý và dễ thao tác.

Bước 4: Lập trình chức năng HMI (HMI Programming)

Sử dụng phần mềm chuyên dụng để lập trình các chức năng theo yêu cầu. Các công việc chính bao gồm:

• Cấu hình kết nối HMI với PLC và các thiết bị;

• Tạo màn hình hiển thị trạng thái, thông số, quy trình;

• Thiết lập điều khiển cho nút bấm, công tắc, thanh trượt;

• Lập trình cảnh báo và báo động khi hệ thống gặp sự cố;

• Tạo nhật ký hoạt động, ghi dữ liệu và phân tích lịch sử vận hành.

Bước 5: Kiểm tra và chạy thử hệ thống (Testing and Commissioning)

Sau khi lập trình xong, cần tiến hành kiểm tra toàn bộ hệ thống để đảm bảo HMI hoạt động ổn định và chính xác. Các bước kiểm tra bao gồm:

• Kiểm tra kết nối truyền thông giữa HMI và PLC;

• Kiểm tra các màn hình hiển thị và giao diện người dùng;

• Thử nghiệm các chức năng điều khiển thực tế;

• Đánh giá hiệu suất hoạt động và khả năng phản hồi của hệ thống;

• Kiểm tra chức năng báo động và ghi log dữ liệu.

Bước 6: Vận hành và bảo trì định kỳ (Operation and Maintenance)

Công việc bảo trì bao gồm: Cập nhật phần mềm HMI khi có phiên bản mới; kiểm tra và vệ sinh phần cứng HMI; sao lưu dữ liệu định kỳ để tránh mất thông tin quan trọng và khắc phục nhanh các lỗi hoặc cảnh báo trong quá trình vận hành.

9. So sánh HMI, PLC và SCADA

PLC (Bộ điều khiển Logic Lập trình) xử lý tín hiệu và điều khiển thiết bị.

HMI (Giao diện Người-Máy) là giao diện trực quan giúp con người theo dõi và điều khiển quá trình qua PLC.

SCADA là hệ thống giám sát và điều khiển từ xa tổng hợp nhiều HMI, PLC và thiết bị trong mạng lưới công nghiệp lớn.

10. Các vấn đề thường gặp về HMI & Hướng dẫn khắc phục

Dưới đây là bảng tóm tắt các vấn đề thường gặp về HMI và hướng dẫn khắc phục để giúp bạn xử lý hiệu quả.

 11. Ứng dụng của HMI trong tự động hóa công nghiệp

HMI (Human Machine Interface – Giao diện Người – Máy) đóng vai trò thiết yếu trong các hệ thống tự động hóa hiện đại. Với khả năng trực quan hóa dữ liệu và cho phép người vận hành giám sát, điều khiển thiết bị, HMI được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như sau:

Sản xuất công nghiệp: Giám sát và điều khiển dây chuyền sản xuất, máy móc CNC, hệ thống robot tự động.

Năng lượng: Quản lý hệ thống điện, giám sát trạm biến áp, điều khiển hệ thống điện mặt trời, gió.

Giao thông vận tải: Hệ thống điều khiển đèn giao thông, bảng thông tin hành khách, kiểm soát tàu điện.

Dầu khí: Giám sát hệ thống khai thác, điều khiển quy trình vận chuyển và phân phối dầu khí.

Xử lý nước: Điều khiển hệ thống lọc nước, giám sát trạm xử lý nước sạch và nước thải.

Tòa nhà thông minh: Quản lý HVAC, chiếu sáng, an ninh và các hệ thống tự động hóa trong tòa nhà.

12. Các xu hướng tương lai của công nghệ giao diện Người-Máy (HMI)

Dưới đây là một số xu hướng công nghệ mới sẽ định hình tương lai của hệ thống Giao diện Người-Máy (HMI):

Sử dụng thiết bị di động: Người vận hành có thể truy cập và điều khiển HMI từ điện thoại thông minh và máy tính bảng, mang lại sự linh hoạt và tiện lợi.

HMI dựa trên đám mây: HMI sẽ được lưu trữ trên nền tảng đám mây, cho phép truy cập từ xa và chia sẻ dữ liệu dễ dàng từ bất kỳ đâu.

Trực quan hóa nâng cao: Sử dụng các công nghệ như đồ họa 3D, thực tế tăng cường (AR) và thực tế ảo (VR) để tạo ra giao diện trực quan và dễ sử dụng.

Tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI): AI sẽ được áp dụng vào HMI để dự đoán bảo trì, phát hiện bất thường, và tự động hóa thông minh, giúp tăng hiệu quả và giảm rủi ro.

Cải thiện an ninh mạng: Với sự gia tăng các mối đe dọa mạng, bảo vệ HMI khỏi tấn công mạng sẽ là ưu tiên hàng đầu, bao gồm mã hóa dữ liệu và xác thực người dùng.

Điện toán biên: Xử lý dữ liệu gần nguồn giúp giảm thời gian phản hồi, hỗ trợ hệ thống HMI thời gian thực trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ cao.

Tăng cường trải nghiệm người dùng (UX): HMI sẽ ngày càng được thiết kế thân thiện hơn với người dùng, với giao diện trực quan, dễ sử dụng, và tối ưu hóa trải nghiệm người dùng.

Kết luận 

Trên đây là những nội dung tổng quan về HMI trong sản xuất công nghiệp. Nếu doanh nghiệp của bạn đang tìm kiếm giải pháp tự động hóa cho doanh nghiệp hãy liên hệ ngay với Intech, Intech Group cung cấp các giải pháp tự động hóa công nghiệp, bao gồm robot tự hành AGV, băng tải, băng chuyền tự động hóa phù hợp với nhu cầu sản xuất của các Doanh nghiệp.