Giao diện người máy HMI (Human-machine interface) là gì?

Định nghĩa HMI trong tài liệu an ninh hệ thống điều khiển

Định nghĩa trên nằm trong bảng thuật ngữ gắn với hướng dẫn an ninh công nghệ vận hành (OT) NIST SP 800-82r3.[1] Phạm vi phần cứng của HMI trải từ bảng điều khiển có nút bấm, đèn báo tới máy tính công nghiệp chạy phần mềm HMI chuyên dụng.[1]

HMI theo bộ tiêu chuẩn ISA-101

HMI là mắt xích then chốt giữa người vận hành và hệ thống tự động hóa.[10] Bộ tiêu chuẩn ISA-101 đưa ra lộ trình thiết kế, triển khai, vận hành và bảo trì HMI.[6] Văn bản gốc của bộ là ISA-101.01-2015, tên đầy đủ Human Machine Interfaces for Process Automation Systems.[6] Phạm vi ghi trong ISA-101.01 là HMI cho thiết bị và cho các quá trình tự động hóa.[11] Bản IEC 63303:2024 được xây dựng từ ANSI/ISA-101.01-2015.[26] Điều 3.1.26 của IEC 63303:2024 định nghĩa HMI là tập hợp phần cứng và phần mềm để người vận hành theo dõi, tương tác với hệ thống điều khiển.[26]

HMI, giao diện người hệ thống và SCADA

Thuật ngữ giao diện người hệ thống (HSI) được dùng trong NUREG-0700 bản sửa đổi 3, phát hành tháng 7/2020.[12] HSI là các phần của nhà máy điện hạt nhân, nơi nhân viên tương tác khi thực hiện chức năng và nhiệm vụ.[12] Trong hệ SCADA, HMI cho phép người vận hành và người ra quyết định phân tích và phản ứng với sự kiện của quá trình.[13]

HMI gồm cả phần cứng lẫn phần mềm, nên mục 2 tách hai phần này và cách chúng trao đổi dữ liệu.

Phần cứng của một màn hình HMI

Màn hình INVT VK dùng tấm TFT màu 16 bit, đèn nền LED có tuổi thọ 20.000 giờ.[2] Lớp cảm ứng là loại 4 dây (4-wire) độ chính xác cao.[2] Bộ xử lý là ARM9 32 bit chạy ở 300 MHz, kèm 64 MB bộ nhớ DDR3 và 128 MB bộ nhớ flash.[2] Nguồn cấp là 24 VDC ±10 %, có cách ly, công suất định mức 10 W cho bản 4,3 inch và 20 W cho bản 7 inch, 10,1 inch.[2]

Phần mềm cấu hình màn hình

Dòng INVT VK được lập trình bằng phần mềm VT Designer, tối đa 7.999 trang màn hình và không giới hạn số lệnh macro.[2] Dòng INVT VS-Q dùng phần mềm HMITOOL, có bảng chọn công thức (recipe), dữ liệu lịch sử và hiển thị cảnh báo.[14] Qua cáp USB, HMITOOL tải từ HMI lên máy tính dữ liệu lịch sử, cấu hình, công thức và lịch sử cảnh báo.[14]

Trao đổi dữ liệu giữa HMI và bộ điều khiển

Cổng nối tiếp của HMI INVT VS-Q dùng để nối PLC hoặc bộ điều khiển khác có cổng RS232, RS422 hoặc RS485.[14] Cổng Ethernet của dòng VS-Q hỗ trợ Modbus TCP/IP.[14] HMITOOL có nút ghi công thức xuống PLC và nút đọc công thức từ PLC.[14] Dòng INVT VK hỗ trợ hơn 100 giao thức truyền thông.[2] Với Modbus nối tiếp, tại một thời điểm chỉ một thiết bị chủ (master) được nối vào bus.[4] Mỗi thiết bị tớ (slave) phải có một địa chỉ riêng trong khoảng 1 đến 247.[4]

HMI trong kiến trúc SCADA

Hệ SCADA kết hợp hệ thu thập dữ liệu, hệ truyền dữ liệu và phần mềm HMI.[5] Trung tâm điều khiển SCADA gồm HMI, trạm kỹ thuật (engineering workstation) và bộ lưu dữ liệu lịch sử (historian).[5] Trung tâm điều khiển thu thông tin từ các trạm hiện trường, ghi lại và hiển thị lên HMI.[5] Trong một hệ SCADA thử nghiệm cho hệ pin mặt trời 260 W, giao diện HMI là các bảng điều khiển đồ họa (dashboard) hiển thị dữ liệu.[13] Hệ SCADA đầy đủ được trình bày ở bài SCADA.

Phần cứng và phần mềm HMI có nhiều hình thức, nên mục 3 liệt kê các dạng HMI gặp trên biến tần điện mặt trời.

Màn hình LCD và phím bấm trên biến tần

Màn hình LCD của biến tần hybrid Deye SUN-14/16/18/20K-SG05LP3-EU-SM2 là màn hình cảm ứng.[3] Phím Esc thoát chế độ cài đặt, phím Up và Down chuyển lựa chọn, phím Enter xác nhận lựa chọn.[3] Màn hình chính hiển thị Solar, Grid, Load và Battery, kèm mũi tên chỉ chiều dòng năng lượng.[3] Biểu tượng System Setup mở các trang Basic Setting, Battery Setting, Grid Setting, Gen Port Use và System Work Mode.[3] Các chế độ làm việc của biến tần hybrid được giải thích ở bài Inverter hybrid.

Đèn LED báo trạng thái

Biến tần SMA Sunny Boy 1.5/2.0/2.5 báo trạng thái bằng đèn LED xanh lá, đỏ và xanh dương.[16] Đèn xanh lá sáng liên tục khi biến tần phát lên lưới ở mức từ 90 % công suất trở lên.[16] Đèn xanh lá nhấp nháy chậm khi biến tần đang chờ đủ điều kiện để phát lên lưới.[16] Đèn đỏ sáng khi có một sự kiện, và giao diện của sản phẩm hiển thị thông báo kèm số sự kiện.[16]

Giao diện web tích hợp trong biến tần

Giao diện người dùng của biến tần SMA được mở bằng trình duyệt web trên thiết bị đầu cuối như máy tính xách tay.[17] Trình duyệt phải là bản mới nhất của Chrome, Edge, Firefox hoặc Safari, và phải bật JavaScript.[17] Địa chỉ truy cập mặc định khi kết nối WLAN trực tiếp là smalogin.net hoặc 192.168.12.3.[17] Biến tần Fronius Symo GEN24 10.0 Plus có sẵn bộ ghi dữ liệu và máy chủ web.[18]

Ứng dụng điện thoại và nền tảng giám sát

Biến tần Huawei SUN2000-3/4/5/6KTL-L1 giao tiếp qua RS485 và WLAN, thêm Ethernet hoặc 4G khi lắp Smart Dongle tùy chọn.[15] Biến tần Sungrow SH8.0/10RS có màn hình số LED, đèn LED báo, và giao tiếp RS485, WLAN, Ethernet, CAN.[19] Phần mềm giám sát trên điện thoại và máy tính được so sánh ở bài phần mềm theo dõi điện mặt trời.

Biến tần Huawei, Sungrow và Deye ở mục 3 đều có cổng RS485, đường truyền được trình bày ở mục 4.

Đặc điểm lớp vật lý RS485

RS485 dùng tín hiệu vi sai truyền trên cáp xoắn đôi.[20] Ở chế độ bán song công (half-duplex), RS485 chỉ dùng một đôi dây, nên việc phát và nhận diễn ra ở những thời điểm khác nhau.[20] Bộ phát đúng chuẩn phải kéo được 32 tải đơn vị (unit load).[20] Chi tiết lớp vật lý RS485 nằm ở bài RS485.

Modbus RTU trên đường RS485 hai dây

Mọi thiết bị Modbus nối tiếp phải có chế độ RTU, còn chế độ ASCII là tùy chọn.[4] Giao diện điện cơ bản của Modbus nối tiếp là RS485 hai dây theo tiêu chuẩn EIA/TIA-485.[4] Ở chế độ RTU, mỗi byte truyền đi có định dạng 11 bit.[4] Địa chỉ 0 dành cho lệnh phát tới mọi thiết bị (broadcast).[4]

Tốc độ baud, bit chẵn lẻ và bit dừng

Modbus nối tiếp bắt buộc có tốc độ 9600 bps và 19200 bps, với 19200 bps là mặc định.[4] Kiểu kiểm tra chẵn lẻ mặc định là chẵn (even parity), và khi không dùng bit chẵn lẻ, khung truyền cần 2 bit dừng.[4] Pin lưu trữ Pylontech US5000 dùng RS485 ở tốc độ 9600 hoặc 115200 bps và CAN ở 500 kbps.[21] Hệ pin Pylontech chỉ chạy an toàn khi giao tiếp với biến tần được thiết lập đúng và cài đặt trên biến tần chính xác.[21] Khái niệm tốc độ baud nằm ở bài Tốc độ baud, còn giao tiếp CAN ở bài CAN bus.

Số thiết bị, chiều dài cáp và điện trở đầu cuối

Một hệ RS485 Modbus không có bộ lặp (repeater) luôn được phép có 32 thiết bị.[4] Với tốc độ tối đa 9600 baud và cáp AWG26 hoặc lớn hơn, chiều dài tối đa là 1000 m.[4] Điện trở đầu cuối Modbus có thể là 150 Ω, 0,5 W, hoặc 120 Ω mắc nối tiếp tụ điện.[4] Cáp trục RS485 thường được đầu cuối bằng điện trở 120 Ω, mỗi đầu cáp một điện trở.[20] Với cổng RS232 của HMI INVT, cáp có vỏ chống nhiễu không được dài quá 15 m.[14]

Cổng RS485 trên biến tần hybrid và pin lưu trữ

Biến tần Deye SUN-14/16/18/20K-SG05LP3-EU-SM2 có cổng Meter-485 để đọc đồng hồ đo điện năng.[3] Cổng BMS của biến tần Deye này giao tiếp với pin qua CAN hoặc RS485.[3] Phụ lục I của sổ tay Deye mô tả cổng Modbus dùng cho giám sát từ xa, còn bảng cổng ở mục 3.4.2 ghi cổng này là Reserved.[3] Biến tần Fronius Symo GEN24 10.0 Plus có 2 cổng RS485 cho Modbus RTU SunSpec, đồng hồ Fronius Smart Meter, pin và Fronius Ohmpilot.[18]

Các thông số Modbus ở mục 4 phải được cài trên chính màn hình HMI, nên mục 5 xem một dòng HMI cụ thể là INVT VK và VS.

Dòng INVT VK

Dòng VK được giới thiệu là HMI chất lượng cao, thao tác mượt và ổn định.[2] Kích thước màn hình là 4,3 inch, 7 inch và 10,1 inch, độ phân giải tương ứng 480 × 272, 800 × 480 và 1024 × 600.[2] Độ sáng là 400 cd/m² với bản 4,3 inch và 7 inch, 350 cd/m² với bản 10,1 inch.[2]

Cổng giao tiếp của INVT VK theo từng mã

Phần giới thiệu dòng VK ghi cổng RS485, RS422, RS232, cổng USB nạp chương trình và cổng U-disk, còn bảng thông số tách cổng theo từng mã.[2] Mã VK2043-N0CXN chỉ có COM1 là RS232 và COM3 là RS485, không có COM2.[2] Các mã VK2043-N0CXR và VK2043-N0EXR có COM1 là RS232, COM2 là RS422/485, COM3 là RS485.[2] Các mã VK2070-N0CXR, VK2070-N0EXR, VK2100-N0CXR và VK2100-N0EXR có cùng ba cổng COM đó, cả ba dùng đầu DB9.[2] Cổng RS422 trên dòng VK chỉ nằm ở COM2, nên mã VK2043-N0CXN không có RS422.[2] Chỉ các mã VK2043-N0EXR, VK2070-N0EXR và VK2100-N0EXR có cổng Ethernet.[2]

Dòng INVT VS và phần mềm HMITOOL

Cổng nối tiếp dòng VS ghi COM: RS232/422/485, riêng VS-070HE-1 chỉ có một cổng COM.[22] Bảng thông số dòng VS ghi Ethernet 10/100BASE-T, một cổng USB Host và một cổng USB Client chuẩn USB 2.0.[22] Dòng VS-Q được giới thiệu là thế hệ HMI kinh tế mới, hỗ trợ nhiều phương thức truyền thông.[14] Trên mã VS-070QS-G, COM1 là RS232, COM2 là RS422/RS485 và COM3 là RS485.[14]

Điều kiện làm việc in trên tài liệu INVT

Dòng INVT VK làm việc từ -10 °C đến 60 °C, độ ẩm 10 % đến 90 % RH, không ngưng tụ.[2] Mặt trước dòng VK đạt IP65, có chứng nhận CE, FCC Class A và RoHS.[2] Dòng INVT VS dùng nguồn 24 VDC ±15 %, đạt IP65 và làm việc từ -20 °C đến 65 °C.[22] Cách hiểu dòng độ ẩm không ngưng tụ được giải thích ở bài Dải độ ẩm tương đối.

Thông số phần cứng chưa nói cách bố trí màn hình cho người vận hành, nội dung của tiêu chuẩn thiết kế ở mục 6.

Phạm vi và vòng đời HMI trong ISA-101

ISA-101.01-2015 đưa ra khung thiết kế và quản lý HMI trong hệ thống tự động hóa quá trình.[6] Khuyến nghị của ISA-101.01 áp dụng cho mọi quá trình dùng HMI để giao tiếp với hệ thống điều khiển.[11] Đối tượng sử dụng ISA-101.01 là người dùng cuối, người thiết kế, người phát triển và người triển khai hệ HMI.[11] Cách tiếp cận vòng đời trải qua thiết kế, triển khai, vận hành và cải tiến liên tục.[6] Bản IEC 63303:2024 đưa ra yêu cầu và khuyến nghị cho hoạt động ở từng giai đoạn của vòng đời HMI.[26]

Những nội dung ISA-101 quy định

Phạm vi của ủy ban ISA101 gồm cây menu, quy ước điều hướng màn hình, quy ước đồ họa và quy ước màu.[10] Phạm vi ISA101 còn gồm phương pháp làm việc với cảnh báo, phương pháp bảo mật và thuộc tính chữ ký điện tử.[10] Báo cáo kỹ thuật ISA-TR101.02-2019 tập trung nâng cao khả năng sử dụng và hiệu năng của HMI.[6] Mã hóa bằng màu là một cách quan trọng để biểu diễn thông tin trên màn hình hiển thị.[12]

Nguyên tắc tương tác của ISO 9241-110

Các nguyên tắc tương tác trong ISO 9241-110 được viết độc lập với tình huống sử dụng, ứng dụng, môi trường và công nghệ.[23] ISO 9241-110 không đi vào chi tiết riêng của từng lĩnh vực, ví dụ hệ thống an toàn trọng yếu.[23]

Trong các nội dung thiết kế ở mục 6, cảnh báo là phần có tiêu chuẩn riêng, nên mục 7 trình bày cảnh báo trên HMI.

Quản lý cảnh báo theo IEC 62682 và ISA-18.2

IEC 62682 phiên bản 2.0 phát hành tháng 12/2022, tên Management of alarm systems for the process industries.[7] IEC 62682 quy định nguyên tắc và quy trình quản lý hệ thống cảnh báo dựa trên hệ điều khiển và HMI.[7] Hình thức cảnh báo trên HMI và chức năng của màn hình cảnh báo nằm trong phạm vi IEC 62682.[7] Việc thiết kế và bảo trì HMI nằm ngoài phạm vi IEC 62682, và phần ghi chú dẫn sang ISA-101.01-2015.[7] ISA-18.2-2016 bao trùm toàn bộ vòng đời cảnh báo, từ nhận diện và hợp lý hóa tới triển khai.[8]

Ngập cảnh báo và mức ưu tiên

Trong 11 phút cuối trước một vụ nổ, hai người vận hành phải nhận biết, xác nhận và xử lý 275 cảnh báo.[24] Tốc độ trung bình trong 11 phút đó là 275 / 11 = 25 cảnh báo mỗi phút. Số mức ưu tiên nên vào khoảng ba, với tỷ lệ 5 % cao, 15 % trung bình và 80 % thấp.[24] Tốc độ cảnh báo trung bình dài hạn khi vận hành bình thường không nên quá một cảnh báo mỗi 10 phút.[24] Trong 10 phút đầu sau một sự cố lớn, số cảnh báo hiển thị không nên quá 10.[24]

Mã lỗi và cảnh báo trên HMI của biến tần

Trên biến tần Deye SG05LP3, biểu tượng giữa màn hình chuyển sang comm./F01~F64 khi có lỗi truyền thông hoặc lỗi khác.[3] Chi tiết lỗi nằm trong menu System Alarms, với các mã từ F01 đến F64.[3] Trong bảng mã lỗi, F01 là lỗi đảo cực đầu vào DC, F58 là lỗi truyền thông BMS, F29 là lỗi bus CAN song song.[3]

Cài đặt cảnh báo trên HMI INVT

Lệnh Alarm trong HMITOOL mở các cửa sổ Alarm Control, Alarm Bar và History Alarm.[14] Ô hiển thị cảnh báo của HMITOOL cho thấy ngày, giờ và nội dung của từng cảnh báo.[14] Khi cảnh báo xảy ra, màn hình INVT cài bằng HMITOOL có thể nhắc người dùng bằng âm thanh, và người cài đặt chọn bật hoặc tắt chức năng này.[14] Thanh cảnh báo có hai chế độ: luôn hiển thị, hoặc hiện và ẩn theo chu kỳ để tạo hiệu ứng nhấp nháy.[14]

Cảnh báo yêu cầu người vận hành thao tác trên HMI, nên mục 8 xem ai được phép thao tác và thay đổi cài đặt nào.

Nhóm người dùng trên HMI biến tần

Mật khẩu của nhóm Installer và nhóm User trên biến tần SMA phải được đặt ở lần truy cập giao diện đầu tiên.[9] Mã SMA Grid Guard của người lắp đặt cần có khi thay đổi cài đặt liên quan tới lưới.[17] Yêu cầu này áp dụng sau 10 giờ phát điện đầu tiên hoặc sau khi hoàn tất trình hướng dẫn cài đặt.[17] Trang Basic Setting của biến tần Deye SG05LP3 có chức năng Factory Reset và Lock out all changes, cả hai đều yêu cầu nhập mật khẩu để xác nhận.[3]

Cấp mật khẩu trên HMI INVT

Phần mềm HMITOOL có 8 bộ mật khẩu người dùng, mỗi bộ có tám cấp mật khẩu để chọn.[14] Một mật khẩu quyền cao nhất thao tác được mọi đối tượng bị giới hạn theo cấp.[14] HMITOOL có tùy chọn yêu cầu mật khẩu khi tải cấu hình lên từ HMI và khi cập nhật cấu hình từ ổ USB.[14]

Nguyên tắc đặc quyền tối thiểu và thao tác từ xa

Quyền của người dùng hệ OT nên giới hạn ở đúng những quyền vai trò của từng người cần.[5] Truy cập vào hệ OT cần kiểm soát chặt nhưng không được cản trở tương tác giữa người và máy.[5] Đơn vị vận hành nên tận dụng biến tần nối mạng để kiểm tra, cấu hình phần mềm, cập nhật và khởi động lại từ xa.[25] Mỗi lần nâng cấp nên bổ sung giám sát từ xa để xác nhận trạng thái, khởi động lại và chẩn đoán sự cố biến tần.[25]

Phân quyền và cổng giao tiếp đều được in trên tài liệu thiết bị, nên mục 9 hướng dẫn đọc các dòng này trên datasheet.

Dòng Display trên datasheet biến tần

Datasheet Huawei SUN2000-3/4/5/6KTL-L1 ghi dòng Display là "LED indicators; integrated WLAN + FusionSolar APP".[15] Datasheet Sungrow SH8.0/10RS ghi dòng Display là màn hình số LED và đèn LED báo.[19]

Dòng Interfaces và ngõ vào ra số

Fronius Symo GEN24 10.0 Plus có 6 ngõ vào ra số và 6 ngõ vào số, nối bộ thu tín hiệu gợn sóng và quản lý năng lượng.[18] Datasheet Sungrow SH8.0/10RS ghi DI * 4 / DO * 2 / DRM0.[19] Ngõ vào ra số được giải thích ở bài Ngõ vào ra số DI/DO, còn quản lý năng lượng ở bài EMS.

Trích thông số một màn hình HMI công nghiệp

Bảng dưới trích thông số mã INVT VK2070-N0EXR từ trang sản phẩm của INVT.[2]

Ví dụ kiểm tra một đường HMI RS485 Modbus RTU

Giả sử một màn hình HMI là thiết bị chủ duy nhất, đọc dữ liệu từ 4 biến tần trên cùng một bus RS485 dài 400 m.

1. Đếm số thiết bị: 1 HMI + 4 biến tần = 5 thiết bị, nhỏ hơn mức 32 thiết bị cho phép khi không có bộ lặp.[4]
2. Đặt địa chỉ: 4 biến tần nhận 4 địa chỉ khác nhau trong khoảng 1 đến 247, không dùng địa chỉ 0.[4]
3. Chọn tốc độ 9600 baud: ở tốc độ này, cáp AWG26 trở lên cho phép dài 1000 m, lớn hơn 400 m của bus.[4]
4. Đặt khung truyền: nếu không dùng bit chẵn lẻ, khung truyền phải có 2 bit dừng.[4]
5. Lắp điện trở đầu cuối: mỗi đầu cáp trục một điện trở 120 Ω.[20]

Các bước trên dùng lại số liệu ở mục 4, và mục 10 trả lời các câu hỏi thường gặp khi chọn và cài đặt HMI.