Màn hình cảm ứng HMI là gì? Nguyên lý hoạt động và cách phân loại

Để giúp việc lựa chọn dễ dàng hơn, bài viết này sẽ cung cấp cho bạn các thông tin về màn hình cảm ứng HMI là gì? Ứng dụng và phân loại màn hình cảm ứng HMI ra sao để bạn hiểu hơn về sản phẩm này và có quyết định hợp lý.

1. Màn hình cảm ứng HMI là gì?

Màn hình cảm ứng HMI được viết tắt từ cụm từ tiếng Anh Human Machine Interface, là thiết bị giao tiếp giữa người dùng với hệ thống, thiết bị, máy móc.

Thuật ngữ này được dùng cho bất kỳ các thiết bị có màn hình mà người dùng có thể tương tác, thường được dùng thường xuyên hơn trong bối cảnh của quy trình tự động hóa – hiện đại hóa công nghiệp. Chính xác hơn và ngắn gọn hơn, bất cứ cách nào mà con người “ tương tác – giao tiếp ” với một máy móc qua 1 màn hình giao diện đều được gọi là HMI.

Ví dụ về HMI trong đời sống thường ngày, chúng ta sẽ thường xuyên gặp nhất là ở những cây ATM. Cho phép bạn vận hành máy để rút hoặc gửi một số tiền nhất định.

2. Cấu tạo màn hình cảm ứng HMI

2.1 Phần cứng

• Màn hình: có chức năng cảm ứng để người vận hành máy có thể chạm tay vào để điều khiển các thao tác trên màn hình giống như cách chúng ta sử dụng những chiếc smartphone.
• Các phím bấm: để thực hiện các thao tác điều khiển.
• Chip: là CPU của màn hình.
• Bộ nhớ: ROM, RAM, EPROM/PLASH,…

2.2 Phần mềm

• Các công cụ xây dựng HMI
• Các hàm và lệnh để điều khiển
• Phần mềm hệ thống
• Công cụ kết nối và chương trình cài đặt.
• Các ứng dụng mô phỏng.
• Truyền thông
• Bao gồm các cổng kết nối, giao thức truyền thông như: USB, RS232/422/485, Ethernet, CANbus, MODBUS, MQTT, EtherNet/IP, CANopen, SNMP,.. và các tính năng nâng cao, mở rộng.

3. Nguyên lý hoạt động của màn hình cảm ứng HMI

Màn hình cảm ứng HMI là giao diện vận hành giữa người và máy thông qua PLC và được kết nối bằng cáp tín hiệu. Khi người vận hành tác động nhấn nút trên màn hình hoặc cài đặt thông số, yêu cầu sẽ được gửi đến PLC. Lúc này PLC điều khiển máy móc dây chuyền hoạt động.

Ngược lại, hệ thống máy móc dây chuyền có thể gửi trạng thái hoạt động hoặc thông số hiện tại lên màn hình HMI thông qua hệ thống PLC giúp cho con người thực hiện quá trình giám sát và điều khiển.

4. Phân loại màn hình cảm ứng HMI

Để đơn giản hơn thì hiện nay người dùng chia màn hình HMI ra làm 2 loại gồm có: HMI truyền thống và HMI hiện đại

4.1 HMI truyền thống

HMI truyền thống bao gồm các thiết bị nhập thông tin như công tác chuyển mạch, nút bấm,,.. Và các thiết bị xuất thông tin gồm đèn báo, còi, đồng hồ đo, các bộ tự ghi dùng giấy,…

Loại HMI truyền thống là những phiên bản đời đầu nên vẫn còn tồn đọng lại nhiều thiếu xót. Một số nhược điểm lớn nhất của chúng là:

• Thông tin không đầy đủ và chính xác.
• Khả năng lưu trữ bị hạn chế.
• Độ tin cậy và ổn định thấp.
• Phức tạp và khó mở động đối với những hệ thống lớn.

4.2 HMI hiện đại

HMI hiện đại được chia thành 2 loại chính:

• HMI trên nền PC và Windows/MAC: SCADA, Citect,…
• HMI nhúng: HMI chuyên dụng, hệ điều hành là Windows CE 6.0
• Ngoài ra vẫn còn một số loại màn hình cảm ứng HMI biến thể khác Mobile HMI dùng Palm, PoketPC.

4.3 Phân loại HMI cơ bản

• Theo kiểu màn hình: màn hình cảm ứng HMI và màn hình HMI không cảm ứng ( TFT, LCD, Touch,…)
• Theo kích thước: 3.5 inch, 4 inch, 7 inch, 10 inch, 12 inch, 15 inch,…
• Theo dung lượng bộ nhớ: 288 KB, 1M, 2M, 10M,…
• Theo cổng truyền thông: USB, RS232/422/485, Ethernet, CANbus,…
• Theo giao thức truyền thông: MODBUS, MQTT, Ethernet/IP, CANopen, BACnet, M-Bus, VNC,…
• Theo tính năng nâng cao: SCADA, Cloud, Web Server, SQL, Email&SMS, Remote, 3G/4G/Wifi,…

5. Ứng dụng và xu hướng phát triển của HMI

Trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa như hiện nay màn hình cảm ứng HMI là thiết bị không thể thiếu. Góp phần đẩy nhanh quá trình tự động hóa các công đoạn cũng như các quy trình sản xuất phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao.

Chính vì thế, màn hình cảm ứng HMI được sử dụng bởi hầu hết các tổ chức công nghiệp dùng để tương tác với máy móc của họ và tối ưu hóa các quy trình công nghiệp. Là tài nguyên cần thiết nhất cho các nhà khai thác, nhà tích hợp hệ thống và kỹ sư, đặc biệt là các kỹ sự hệ thống điều khiển.

Màn hình HMI có thể được sử dụng cho một chức năng duy nhất, như theo dõi, giám sát, hiển thị hoặc là thực hiện các hoạt động phức tạp hơn, như điều khiển thiết bị máy móc: tắt máy hoặc tăng tốc độ sản xuất…vv, tùy thuộc vào mục đích sử dụng.

Ngoài ra chúng còn được ứng dụng:

• Trong các ngành dầu khí, điện tử, sản xuất thép, dệt may, ngành điện, ngành nước, ô tô, xe máy…
• Trong các thiết bị điện tử hay kỹ thuật số như đầu đĩa, tivi, loa, âm li,…thông qua các nút bấm được tích hợp trên thiết bị.
• Các loại thiết bị thông minh như điện thoại thông minh, ipad, máy tính bảng, laptop,… thông qua bàn phím và màn hình cảm ứng.
• HMI được ứng dụng trong các loại lò viba, vi sóng giúp điều chỉnh nhiệt độ và thời gian.

6. Các bước xây dựng hệ thống HMI

Để tạo ra được một hệ thống HMI hoàn chỉnh thì chúng ta phải đi qua các quá trình cụ thể. Tại đây thì quá chình được chia ra thành 2 phần quan trọng mà bạn cần chú ý đến như sau:

Bước 1: Lựa chọn và xây dựng phần cứng HMI

• Kích thước màn hình: khi lựa chọn cần chú ý đến số lượng thông số – thông tin cảm biến hiển thị đồng thời các nhu cầu về đồ thị, đồ họa,…
• Phím cứng: số phím cảm ứng tối đa cùng sử dụng cùng lúc.
• Cổng mở rộng: nếu có nhu cầu về in ấn, đọc mã vạch, kết nối các thiết bị ngoại vi.
• Dung lượng bộ nhớ: dựa theo số lượng số liệu cần thu thập, lưu trữ dữ liệu, số lượng trang màn hình cần hiển thị.

Bước 2: Xây dựng phần giao diện HMI

• Cấu hình phần cứng: chọn phần cứng (Model), thiết bị kết nối (PLC), chuẩn giao thức truyền thông là gì,…
• Xây dựng các trang màn hình screen.
• 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. 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).

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 và controller khác…

c. Kiểu biến (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 trình viết 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.