Tổng quan HMI màn hình vận hành

HMI (Human-Machine-Interface) là từ viết tắt của (Human-Machine-Interface) 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. Ví dụ như cảm ứng trên lò viba 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,…cho phép người dùng theo dõi, ra lệnh điều khiển toàn bộ hệ thống. HMI có giao diện đồ họa, giúp cho người dùng có cái nhìn trực quan về tình trạng của hệ thống. HMI chia làm 2 loại chính: · HMI trên nền PC và windows/ Mac:Scada · Ngoài ra còn có một số loại màn hình biến thể khác Mobile HMI dùng cho Palm, Pocket PC Các thông số đặc trưng của giao diện HMI: · Số lượng các phím và các phím cảm ứng trên màn hình: khả năng thao tác vận hành. · 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. Thông số kỹ thuật màn hình HMI OP 73 · Số phím chức năng: 4 · Hiển thị: 3-6 dòng. · Giao diện: RS485. · Tốc độ lên đến 1.5MB. · Kết nối: S7-200 qua PPI, S7-300/400 qua MPI/DP. · Ngôn ngữ online: 5 HMI là gì và các khái niệm cơ bản. 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 a 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: 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. Khái niệm về HMI HMI là viết tắt của Human-Machine-Interface, có nghĩa là thiết bị giao tiếp giữa người thi hành, thiết kế và máy móc. Biểu thị dữ liệu cho người vận hành và cho phép nhập lệnh điều khiển qua nhiều dạng: hình ảnh, sơ đồ, cửa sổ, menu, màn hình cảm ứng … HMI có thể là màn hình GOT(Graphic Operation Terminal) của Mitsubishi, màn hình NT của Omron, hoặc một PC chạy phần mềm SoftGOT của Mitsubishi… Nói một cách chính xác, bất cứ cách nào mà con người “giao diện” với một máy móc thì đó 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. Các thiết bị HMI truyền thống Thành phần HMI truyền thống • Thiết bị nhập thông tin: công tắc chuyển mạch, nút bấm… • Thiết bị xuất thông tin: đèn báo, còi, đồng hồ đo… HMI truyền thống 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. Các thiết bị HMI hiện đại 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. 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 thông. 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, PC100 Quy trình xây dựng hệ thống HMI 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. 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. • Mô phỏng chương trình. • Nạp thiết bị xuống HMI Bảng 1: Xác định yêu cầu và đánh giá một nhà cung cấp HMI Yêu cầu/mong muốn cho ứng dụng Mô tả Mức độ quan trọng của ứng dụng Nhà cung cấp Tác động Kết nối HMI có bộ driver phù hợp giúp loại bỏ nhu cầu về card I/O PLC đắt đỏ và phát triển mã PLC mở rộng 10 5 Chi phí và thời gian phát triển Dung lượng dữ liệu HMI có các chức năng ghi, chia sẻ và tải dữ liệu tới server từ xa để báo cáo 7 10 Tích hợp dữ liệu dễ dàng vào phần mềm nhà máy hiện nay Giám sát từ xa Các công cụ sẵn sàng để truy cập, giám sát từ xa quá trình của bạn Không cần quan tâm 10 Không yêu cầu Khả năng phục vụ từ xa Công cụ sẵn sàng cho phục vụ, khắc phục sự cố và điều khiển HMI từ xa 10 2 HMI đòi hỏi hỗ trợ tại chỗ Môi trường và các chứng chỉ HMI được thiết kế cho môi trườngmà nó sẽ được lắp đặt (nóng,hóa chất, áp lực, bụi bẩn, sốc và rung….) 10 10 Đòi hỏi hoặc không Nâng cấp ứng dụng HMI Các phương pháp thuận tiện để nâng cấp ứng dụng HMI trong hiện trường.(nâng cấp thực hiện qua Ethernet, bàn phím USB, CF card, không PC, …) 5 0 Nâng cấp hiện trường không được hỗ trợ Bảo dưỡng hệ thống HMI có công cụ hiển thị hỗ trợ quá trình và bảo dưỡng máy (phát Video, ghi sự kiện bảo dưỡng, xem hướng dẫn sử dụng máy…) 8 10 Giảm thời gian chết máy móc và lỗi bảo dưỡng Chuyển đổi sản phẩm Ảnh hưởng tới các hoạt động khi sản phẩm hiện nay không được sản xuất nữa 10 10 Có thể thay thế trường thiết kế lại panel bị giới hạn Trong bảng 1, chúng ta có thể thấy yêu cầu nào là quan trọng và nhà cung cấp được xếp thứ tự như thế nào theo những yêu cầu này. Cột ảnh hưởng được sử dụng để xác định sự thỏa hiệp với ứng dụng nếu nhà cung cấp này được lựa chọn. Thí dụ, nếu chúng ta chấp nhận khuyết điểm kết nối của nhà cung cấp HMI, chi phí thứ 2 sẽ phải hứng chịu khi sử dụng PLC với card I/O để làm cho ứng dụng hoạt động được. Một khối lượng thời gian và tiền bạc có thể phí phạm vào đây. Ngược lại, nhà cung cấp này có một khả năng chuyển đổi sản phẩm mạnh sẽ chắc chắn giảm được chi phí trang bị thêm. Nghiên cứu bảng và xem xét kỹ lưỡng về tác động chi phí và thời gian của mỗi loại. Thật dễ khi nói rằng, “Chúng ta có một giải pháp thay thế cho kết nối” cho tới khi bạn mất một lượng thời gian và chi phí vào đó. Khi đó một bức tranh trung thực sẽ được tạo ra. Phương thức kết nối giúp chi phí giảm xuống Kết nối có thể được phân thành kết nối phần cứng và phần mềm. Kết nối phần cứng mang lại giá trị ở công suất cao hơn, độ tin cậy cao hơn và điều khiển máy hay quá trình chặt chẽ hơn. Kết nối phần mềm giảm đáng kết chi phí cấp phép chia sẻ dữ liệu đối với mỗi bộ phận mà rất nhiều nhà máy hiện nay đang phải chi trả. Giá trị kết nối phần cứng mở rộng thông qua một HMI được thực hiện bằng cách giảm gánh nặng giao tiếp PLC. Không phải mọi thứ đều cần chạy qua PLC. Các thành phần điều khiển không quan trọng như chuyển động, điều khiển và bộ quét mã vạch có thể được quản lí dễ dàng bằng HMI. Điều này cho phép PLC được tối ưu hóa cho ứng dụng điều khiển quan trọng, ít sử dụng card I/O chuyên dụng, ít phải phát triển mã logic cồng kềnh. Kết quả có thể được quan sát ở công suất cao cộng với lựa chọn các thành phần thiết bị ngoại vi tốt nhất không hạn chế đối với driver do PLC cung cấp. HMI có các công cụ kết nối phần mềm không đòi hỏi chi phí cấp phép cho từng bộ HMI để chia sẻ dữ liệu từ bất kỳ thiết bị nào mà nó được kết nối với các hệ thống ERP, MES, hay SCADA của nhà máy hiện nay. Cần hạn chế chi tiêu thậm chí là rất nhiều đối với mỗi HMI để thực hiện chức năng này. Thí dụ: Một nhà máy với khoảng 50 tổ sản xuất sử dụng cấp phép SCADA nghìn đô la cho mỗi tổ sẽ tiết kiệm 5000 USD về chi phí cấp phép mà không ảnh hưởng tới các hoạt động khác Sự linh hoạt của ứng dụng: Nâng cấp tại hiện trường Các ứng dụng thay đổi qua thời gian. Điều này có nghĩa là ứng dụng HMI của bạn phải được cập nhật để phù hợp với nhu cầu của ứng dụng ngày càng cao. Phần mềm HMI rất linh hoạt. Vấn đề ở đây là HMI được lắp đặt và hoạt động ở nơi xa. Làm cách nào để bạn đi nâng cấp những vị trí xa xôi này? Bạn không muốn mang một PC tới đây hay bạn cũng không muốn đem cho ai đó toàn bộ file nguồn phát triển HMI. Không phải tất cả các nhà cung cấp HMI đều tạo ra phương thức nâng cấp hiện trường dễ dàng. Tuy nhiên có một nhóm nhà cung cấp đem đến một số phương pháp hữu hiệu cập nhật HMI tại hiện trường. Một số phương pháp nên quan tâm là: • Card flash nhỏ gọn: Upload ứng dụng mới vào HMI • Thẻ nhớ USB: Giống như phương pháp flash nhỏ gọn • Ethernet: Kết nối từ xa và download ứng dụng trong nhà máy • Internet: Cập nhật cho HMI sử dụng internet để loại bỏ tác vụ này tại hiện trường [...]...• Tiện ích truyền: Một tiện ích phần mềm không đòi hỏi toàn bộ phần mềm HMI phải cập nhật ứng dụng HMI Khả năng nâng cấp hiện trường này không tìm thấy dễ dàng trên bảng dữ liệu phần cứng Có rất nhiều chi phí liêu quan đến nâng cấp hiện trường bao gồm dịch vụ và bảo dưỡng thiết bị khi được lắp đặt Điều này rất quan trọng, cần phải xem xét trước khi lựa chọn nhà cung cấp hay sản phẩm Càng thực... phẩm Càng thực hiệc nhiều công việc nâng cấp từ xa sử dụng công cụ nâng cấp, càng tiết kiệm thời gian và tiền bạc Những điểm lưu ý về hoạt động bên trong: Các dịch vụ mà nhà cung cấp HMI cung cấp là một điều cần xem xét quan trọng Một số điều cơ bản cần nghiên cứu là: • Có hỗ trợ tại chỗ hay không? • Liệu nhà cung cấp có chuyên gia hỗ trợ kỹ thuật tại hiện trường và kiến thức về sản phẩm không hay họ... bị nhanh chóng như thế nào để sửa chữa hay cần mua một thiết bị dự trữ? • Chất lượng phần mềm phát triển HMI như thế nào và chúng có thể thực hiện nâng cấp phần mềm như thế nào? • Nhà cung cấp cung cấp công cụ nào mà bạn không thể sử dụng trong thời gian ngắn trong nhà máy của bạn nhưng có thể trở thành một nhu cầu trong tương lai? . loại màn hình biến thể khác Mobile HMI dùng cho Palm, Pocket PC Các thông số đặc trưng của giao diện HMI: · Số lượng các phím và các phím cảm ứng trên màn hình: khả năng thao tác vận hành. ·. lệnh điều khiển qua nhiều dạng: hình ảnh, sơ đồ, cửa sổ, menu, màn hình cảm ứng … HMI có thể là màn hình GOT(Graphic Operation Terminal) của Mitsubishi, màn hình NT của Omron, hoặc một PC chạy. 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