Giao diện Người-Máy (HMI) được định nghĩa là một tính năng hoặc thành phần của một thiết bị hoặc ứng dụng phần mềm nhất định cho phép con người tham gia và tương tác với máy móc. Một số ví dụ về các thiết bị Giao diện Người máy phổ biến mà chúng ta gặp phải trong cuộc sống hàng ngày bao gồm màn hình cảm ứng và bàn phím.
HMI được sử dụng trong bối cảnh công nghiệp chủ yếu là màn hình hoặc màn hình cảm ứng kết nối người dùng với máy móc, hệ thống hoặc thiết bị. Các nhà điều hành nhà máy sử dụng HMI để điều khiển và tự động hóa máy móc, cũng như dây chuyền sản xuất của họ. HMI có thể là màn hình hiển thị đơn giản được gắn trên máy móc trong nhà máy, màn hình cảm ứng tiên tiến, bảng điều khiển đa điểm cảm ứng, nút nhấn, máy tính có bàn phím, thiết bị di động hoặc máy tính bảng.
Sự phát triển của giao diện người-máy
Tương tác với máy móc sử dụng chế biến hàng loạt
Trong những năm 1950, xử lý hàng loạt là phương thức chiếm ưu thế của sự tương tác với máy móc , về mặt nhập liệu.
Xử lý hàng loạt yêu cầu người dùng chỉ định tất cả các chi tiết và trình tự của một tác vụ, thường sử dụng thẻ đục lỗ. Thẻ đục lỗ này đã được đưa vào máy. Máy đánh giá thẻ đục lỗ và đưa ra kết quả. Xử lý hàng loạt không phải là một phương thức hiệu quả của sự tương tác giữa con người với máy móc vì kỹ thuật này cho thấy xác suất lỗi cao.
Tương tác với máy bằng giao diện dòng lệnh
Sự phát triển của các giao diện dòng lệnh theo sau quá trình xử lý hàng loạt. Xử lý dòng lệnh là một cách tương tác hơn để người dùng tương tác với máy và cho phép người dùng ra lệnh trực tiếp cho máy. Điều này được thực hiện thông qua việc nhập các dòng văn bản liên tiếp, sử dụng một chương trình chấp nhận văn bản. Đây là phương thức tương tác chủ đạo với máy móc trong những năm 1960.
Tương tác với máy móc bằng giao diện người dùng đồ họa
Giao diện người dùng đồ họa (GUI) tạo nên giai đoạn tiếp theo của sự tương tác giữa người và máy. Các giao diện này cho phép người dùng cuối tương tác với máy bằng các yếu tố đồ họa phong phú như cửa sổ, nút và biểu tượng. Đây được gọi là mô hình WIMP (cửa sổ, biểu tượng, menu và con trỏ). Các thiết bị thực tế được sử dụng để sử dụng bàn phím và các thiết bị đi kèm như chuột.
Giai đoạn sau WIMP
Khi việc sử dụng máy tính và công nghệ ngày càng tăng trong xã hội hiện đại, nhu cầu về mức độ tương tác giữa người và máy ngày càng phức tạp. Điều này dẫn đến sự phát triển của màn hình cảm ứng và giao diện người dùng có thể nắm bắt cho phép người dùng tương tác với các đối tượng ảo bằng tay cầm vật lý.
HMI và ngành sản xuất
Vai trò của giao diện người-máy trong hệ thống SCADA
Hầu hết các hệ thống SCADA (Kiểm soát Giám sát và Thu thập Dữ liệu) đều dựa vào các thành phần HMI nhúng để hoạt động hiệu quả. Hệ thống SCADA là hệ thống điều khiển chính, tổng thể trong một nhà máy hoặc nhà máy, chịu trách nhiệm điều chỉnh tất cả các hoạt động phức tạp đang diễn ra.
Theo truyền thống, để tích hợp dây chuyền sản xuất với HMI, HMI phải được kết nối với Bộ điều khiển logic lập trình (PLC) và HMI hiển thị dữ liệu nhận được từ PLC và cung cấp đầu vào PLC từ người dùng. Những màn hình đồ họa này có xu hướng rất đơn giản.
HMI cơ bản cho phép người vận hành hoặc người quản lý nhà máy kiểm tra các thông số điển hình như nhiệt độ của (các) máy, số lần xử lý, trạng thái của (các) máy và số lượng vật liệu.
Một ví dụ thực tế về HMI và SCADA
Một kịch bản tiêu chuẩn liên quan đến HMI diễn ra trong nhiều nhà máy xử lý nước và nước thải. Các cơ sở này thường phải đối mặt với những thách thức vì xử lý nước bao gồm nhiều giai đoạn như sàng lọc, bơm và loại bỏ các vi sinh vật có hại khác nhau và các chất còn sót lại. Ngoài ra, mỗi giai đoạn của quá trình xử lý có thể diễn ra ở những khu vực cách nhau hàng km, điều đó có nghĩa là việc giám sát thiết bị và quy trình là một thách thức.
Màn hình HMI được tích hợp trong hệ thống SCADA thường được kết nối với PLC và người vận hành sau đó có thể theo dõi mực nước, độ pH, máy bơm nước, mức chất rắn hòa tan hoặc một loại hóa chất độc hại nào đó từ xa.
Máy bơm nước có thể được bật hoặc tắt dựa trên mức bể bằng Giao diện Người-Máy. Ngoài ra, HMI thường hiển thị cảnh báo nếu độ pH dưới một mức nhất định và điều này có thể được điều chỉnh bằng cách sử dụng màn hình cảm ứng. Bằng cách này, HMI cho phép người vận hành giám sát và kiểm soát các quá trình và giai đoạn xử lý nước.
Nhiều HMI công nghiệp hiện đại đang được phát triển cho môi trường nhà máy thông minh rất phong phú về đa phương tiện. Chúng cho phép người dùng nhận các cảnh báo SMS tích hợp về trạng thái của máy móc, cảnh báo qua email và cũng có thể xem các video tích hợp về các quy trình trong nhà máy. Các HMI phức tạp hơn cho phép điều khiển từ xa nhiều máy móc và hoạt động trên nhiều địa điểm, cũng như phân tích hoạt động của nhà máy. HMI cũng có thể hiển thị bảng điều khiển với các KPI liên quan đến sản xuất và nhà máy.
Vì vậy, vai trò của HMI đang phát triển nhanh chóng khi các công nghệ mới liên tục được tích hợp.
Lợi ích chính của việc đầu tư vào HMI nâng cao cho nhà máy
Hiện nay trên thị trường có nhiều HMI cấp cao cho phép giám sát và điều khiển máy móc của nhà máy. Lợi ích chính, về mặt đầu tư vào Giao diện người máy cấp độ tiên tiến với nhiều khả năng như khả năng giám sát máy móc từ xa và xuất bảng điều khiển với KPI, là đơn giản hóa các quy trình và hoạt động của nhà máy.
Lợi ích chính khác là khả năng xem dữ liệu quan trọng, thời gian thực trong tầm tay của một người. Những thuộc tính này của HMI cấp độ hiện đại, tiên tiến, góp phần rất lớn vào việc giảm độ phức tạp của môi trường nhà máy.
Hơn nữa, chủ sở hữu nhà máy có thể nhanh chóng phản ứng với các điều kiện thay đổi hoặc thách thức bằng Giao diện Người-Máy. Do đó, hiệu quả được cải thiện vì giảm thời gian chết. Điều này cho phép chủ sở hữu nhà máy có các hệ thống thông minh giúp giảm chi phí và chất thải và cuối cùng là cải thiện quy trình và lợi nhuận.
Trong tương lai, HMI ở cấp độ cạnh hoặc cấp độ máy sẽ trở nên mạnh hơn bao giờ hết và có cơ hội cạnh tranh trong thời gian thực.
Nên Sản xuất hay Mua HMI?
Thông thường câu hỏi mà các chủ nhà máy phải đối mặt là “Tôi nên sản xuất hay mua HMI?”. Đây là một câu hỏi rất rộng và không có câu trả lời đơn giản vì có nhiều biến số cần xem xét. Một số câu hỏi cần đặt ra là:
- HMI cần kiểm soát những quy trình và hoạt động nào trong nhà máy?
- Những máy móc và thông số nào cần được giám sát trong nhà máy?
- HMI cần phức tạp đến mức nào?
- Doanh nghiệp có chuyên môn và kiến thức nội bộ không?
- Chủ sở hữu nhà máy có thời gian cho việc thiết kế, phát triển và thử nghiệm HMI không.
- Thị trường đặt ra yêu cầu đổi mới sản phẩm nhanh chóng và việc xem xét liệu điều này có khả thi trong nội bộ công ty hay không
- Thị trường cũng đòi hỏi sự cải tiến công nghệ nhanh chóng, vì vậy việc xem xét tương tự
- Có thể kết hợp công nghệ bên ngoài trong các nhóm phát triển nội bộ hiện có không
- Ngân sách khả dụng là bao nhiêu?
- Các mục tiêu cuối cùng là gì; một nguyên mẫu đơn giản cho một dự án nghiên cứu hay một phiên bản HMI được điều khiển làm việc được tải đầy đủ?
Cuối cùng, trừ khi chủ sở hữu nhà máy hoặc nhà sản xuất có kinh nghiệm trong việc thiết kế, phát triển và xây dựng HMI, thì việc mua thường sẽ hợp lý hơn. Điều này sẽ tiết kiệm thời gian và cung cấp một giải pháp đã được thử nghiệm. Ít nhất, nghiên cứu nên được thực hiện và nhà sản xuất hoặc chủ sở hữu nhà máy nên nói chuyện với một nhà tư vấn hoặc chuyên gia trước khi họ bắt tay vào thiết kế HMI của riêng họ.
Tương lai của sự tham gia của Con người-Máy móc
Hiện tại, có nhiều dự đoán khác nhau về tương lai có thể xảy ra đối với mức độ tương tác giữa con người với máy móc. Các công nghệ như điện toán đám mây, điện toán nhận thức và Internet vạn vật (IoT) đều được kỳ vọng sẽ đóng một vai trò trong sự phát triển của mức độ tương tác giữa người và máy tiếp theo.
Đó là một thách thức để dự đoán điều gì sẽ xuất hiện ở mức độ tương tác tiếp theo. Tuy nhiên, chắc chắn rằng sẽ có một cấp độ tiếp theo của quan hệ đối tác giữa người và máy sẽ thúc đẩy năng suất trong các ngành công nghiệp khác nhau.
Xét về nhu cầu của Công nghiệp 4.0, HMI công nghiệp cũng sẽ được tích hợp nhiều hơn nữa các công nghệ mới và đang phát triển đang tác động đến HMI nói chung.