Thư viện đối tượng HMI: Chìa khóa vàng nâng tầm hiệu quả thiết kế giao diện người-máy

Thiết kế giao diện HMI (Human-Machine Interface) là một công việc đòi hỏi sự chính xác, trực quan và hiệu quả cao để đảm bảo hoạt động sản xuất diễn ra trơn tru. Để tạo ra những giao diện HMI chuyên nghiệp, nhất quán mà vẫn tiết kiệm đáng kể thời gian và công sức, thư viện đối tượng HMI (Objects HMI, Symbols HMI) đã trở thành một công cụ không thể thiếu. Bài viết này sẽ đi sâu vào định nghĩa, phân loại các loại đối tượng phổ biến, cùng những lợi ích vượt trội mà thư viện đối tượng HMI mang lại trong việc tối ưu hóa quy trình thiết kế, chuẩn hóa và tăng tốc phát triển.

1. HMI và tầm quan trọng của thiết kế giao diện

HMI là điểm chạm cốt yếu giữa con người và máy móc trong môi trường sản xuất công nghiệp, vì vậy, thiết kế giao diện hiệu quả đóng vai trò cực kỳ quan trọng. Thiết kế giao diện HMI tốt giúp giảm lỗi vận hành bằng cách cung cấp thông tin rõ ràng và thao tác trực quan, từ đó tăng cường hiệu quả tổng thể của hệ thống.

Một giao diện HMI được coi là hiệu quả khi nó tích hợp đầy đủ các yếu tố then chốt, mang lại trải nghiệm tối ưu cho người dùng. Trực quan là yếu tố hàng đầu, nghĩa là giao diện phải dễ hiểu và dễ đọc, giúp người vận hành nhanh chóng nắm bắt tình hình và thông tin cần thiết. Kế đến, giao diện phải dễ sử dụng, với các thao tác đơn giản, logic và ít bước nhất có thể để thực hiện một tác vụ.

Nhất quán là một đặc điểm không thể thiếu, đảm bảo sự đồng bộ về màu sắc, bố cục, biểu tượng và cách thức hoạt động trên toàn bộ các màn hình, giúp người dùng không bị bối rối khi chuyển đổi giữa các phần của hệ thống. Đáp ứng có nghĩa là giao diện phải phản hồi nhanh chóng với các thao tác của người dùng và các thay đổi từ hệ thống, mang lại cảm giác mượt mà và tin cậy.

Cuối cùng, thẩm mỹ tuy không trực tiếp ảnh hưởng đến chức năng nhưng một giao diện chuyên nghiệp và dễ nhìn sẽ nâng cao trải nghiệm tổng thể và sự hài lòng của người vận hành.

2. Thư viện đối tượng HMI: Định nghĩa và vai trò

Thư viện đối tượng HMI là tập hợp các thành phần đồ họa và chức năng được tạo sẵn, có thể tái sử dụng một cách linh hoạt để xây dựng giao diện HMI. Các thành phần này bao gồm từ các biểu tượng đơn giản đến các mô-đun điều khiển phức tạp, giúp kỹ sư tự động hóa tối ưu hóa quy trình thiết kế.

Thư viện đối tượng HMI đóng vai trò cốt lõi trong việc đơn giản hóa và nâng cao chất lượng quá trình thiết kế HMI.

Thứ nhất, nó giúp chuẩn hóa thiết kế, đảm bảo sự nhất quán về mặt hình ảnh và chức năng trên tất cả các màn hình HMI trong cùng một dự án hoặc giữa các dự án khác nhau.

Thứ hai, thư viện tăng tốc độ phát triển đáng kể bằng cách giảm thời gian cần thiết để vẽ và cấu hình từng đối tượng từ đầu, cho phép kỹ sư tập trung vào logic hệ thống hơn là chi tiết đồ họa.

Thứ ba, khả năng tái sử dụng các thành phần đã tạo giúp tối ưu hóa nguồn lực, tránh lặp lại công việc không cần thiết.

Thứ tư, việc sử dụng các đối tượng đã được kiểm thử và xác minh trong thư viện giúp giảm lỗi phát sinh trong quá trình thiết kế và vận hành.

Cuối cùng, thư viện góp phần nâng cao chất lượng của giao diện HMI, mang lại một cái nhìn chuyên nghiệp và hiệu quả hơn.

3. Các loại đối tượng phổ biến trong thư viện HMI

Trong thư viện đối tượng HMI, các đối tượng được phân loại thành nhiều nhóm khác nhau dựa trên độ phức tạp và chức năng, từ những thành phần cơ bản đến các mô-đun tích hợp tinh vi.

3.1. Đối tượng cơ bản (Basic Objects)

Đối tượng cơ bản là các thành phần đồ họa và điều khiển phổ biến nhất được sử dụng để xây dựng nền tảng của bất kỳ giao diện HMI nào. Chúng là các khối xây dựng cơ bản, dễ dàng kéo thả và cấu hình để hiển thị thông tin hoặc thực hiện các tác vụ đơn giản. Các loại đối tượng cơ bản bao gồm:

• Nút bấm (Buttons): Dùng để khởi động/dừng thiết bị, chuyển đổi giữa các màn hình HMI hoặc kích hoạt một chức năng cụ thể.
• Đèn báo (Indicators/Lamps): Dùng để hiển thị trạng thái BẬT/TẮT của thiết bị, tình trạng lỗi hoặc cảnh báo bằng cách thay đổi màu sắc hoặc biểu tượng.
• Trường hiển thị/nhập liệu (I/O Fields): Cho phép hiển thị giá trị số hoặc văn bản từ PLC và nhập liệu các thông số điều khiển vào hệ thống.
• Thanh trượt (Sliders): Dùng để điều chỉnh giá trị tương tự một cách trực quan, ví dụ như tốc độ động cơ hoặc mức độ mở van.
• Biểu đồ (Trends): Hỗ trợ hiển thị dữ liệu theo thời gian thực hoặc lịch sử, giúp người vận hành theo dõi xu hướng của các thông số quan trọng như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng.
• Đồng hồ đo (Gauges/Meters): Cung cấp cách hiển thị giá trị tương tự một cách trực quan, giống như các đồng hồ vật lý trên bảng điều khiển.
• Văn bản (Text Fields): Dùng để hiển thị thông tin tĩnh hoặc động như tên thiết bị, đơn vị đo, hoặc các thông báo từ hệ thống.
• Hình ảnh (Images): Được sử dụng để thêm logo công ty , sơ đồ bố trí nhà máy hoặc các biểu tượng tùy chỉnh để tăng tính trực quan.

3.2. Đối tượng phức tạp/Đối tượng khuôn mẫu (Faceplates/Smart Objects/Complex Objects)

Đối tượng phức tạp, hay còn gọi là đối tượng khuôn mẫu là các nhóm đối tượng đã được tích hợp chức năng, được thiết kế để tái sử dụng nhiều lần trong các ứng dụng HMI. Các đối tượng này được tạo ra từ sự kết hợp của nhiều đối tượng cơ bản, nhưng đã được đóng gói lại với logic điều khiển và hiển thị riêng, giúp đơn giản hóa việc quản lý và cấu hình. Các đối tượng khuôn mẫu có những đặc điểm nổi bật sau:

• Kết hợp nhiều đối tượng cơ bản thành một đơn vị duy nhất, ví dụ một faceplate động cơ có thể bao gồm nút bấm, đèn báo, trường hiển thị.
• Có logic điều khiển và hiển thị riêng, cho phép chúng hoạt động độc lập hoặc tương tác với PLC thông qua các tham số được định nghĩa.
• Dễ dàng cấu hình thông qua các tham số (parameters), chỉ cần thay đổi một vài giá trị để điều chỉnh chức năng của toàn bộ nhóm đối tượng, thay vì phải cấu hình từng thành phần con.
• Thường được liên kết với một khối chức năng (FB/Function Block) trong PLC, tạo ra sự đồng bộ chặt chẽ giữa logic điều khiển trong PLC và giao diện HMI.

Ví dụ về các đối tượng khuôn mẫu:

• Faceplate động cơ (Motor Faceplate): Bao gồm nút khởi động/dừng, đèn báo trạng thái chạy/dừng/lỗi, hiển thị dòng điện hoặc tốc độ, các biểu tượng cảnh báo, và có thể mở ra một màn hình pop-up điều khiển chi tiết hơn khi được nhấn.
• Faceplate van (Valve Faceplate): Bao gồm nút đóng/mở van, đèn báo trạng thái (đang mở, đang đóng, lỗi), hiển thị vị trí van (đối với van tuyến tính), và các cảnh báo liên quan.
• Đối tượng PID Controller: Cho phép người vận hành hiển thị và điều chỉnh các tham số PID (Kp, Ki, Kd), xem trạng thái của vòng lặp điều khiển, và chuyển đổi giữa chế độ thủ công/tự động.

3.3. Đối tượng tùy chỉnh (Custom Objects)

Đối tượng tùy chỉnh là các đối tượng được tạo bởi người dùng hoặc bên thứ ba để đáp ứng những nhu cầu đặc thù mà thư viện mặc định không thể cung cấp. Sự linh hoạt này là cần thiết cho các ứng dụng rất chuyên biệt hoặc khi muốn đạt được một phong cách giao diện độc đáo. Có nhiều lý do cần tạo đối tượng tùy chỉnh:

• Các chức năng không có sẵn trong thư viện mặc định: Khi một tính năng cụ thể không được cung cấp bởi phần mềm HMI, việc tạo đối tượng tùy chỉnh là giải pháp.
• Yêu cầu giao diện đặc biệt: Để có một phong cách đồ họa riêng biệt hoặc đáp ứng các tiêu chuẩn công nghiệp cụ thể không có trong thư viện chuẩn.
• Tối ưu hóa hiệu suất hoặc logic: Các đối tượng tùy chỉnh có thể được tối ưu hóa cao độ về mã nguồn để đạt hiệu suất tốt hơn hoặc thực hiện các logic phức tạp một cách hiệu quả hơn.

Cách tạo đối tượng tùy chỉnh thường bao gồm:

• Sử dụng ngôn ngữ lập trình như VBScript hoặc C# để thêm các logic động và tương tác phức tạp vào đối tượng.
• Công cụ vẽ tích hợp trong phần mềm HMI để thiết kế hình ảnh và bố cục.
• Nhập từ phần mềm đồ họa bên ngoài như AutoCAD hoặc Adobe Illustrator, sau đó tích hợp chức năng vào trong môi trường HMI.

4. Lợi ích vượt trội của việc sử dụng thư viện đối tượng HMI

Việc tận dụng thư viện đối tượng HMI mang lại nhiều lợi ích chiến lược, tác động tích cực đến toàn bộ vòng đời phát triển và vận hành hệ thống tự động hóa.

4.1. Tăng tốc độ phát triển dự án

Sử dụng thư viện đối tượng HMI giúp tăng tốc độ phát triển dự án đáng kể bằng cách loại bỏ nhu cầu tạo lại các thành phần từ đầu. Điều này tiết kiệm thời gian thiết kế và cấu hình từng đối tượng, cho phép kỹ sư tái sử dụng các khối chức năng đã được kiểm định. Kết quả là rút ngắn chu kỳ phát triển  tổng thể của dự án, đẩy nhanh quá trình đưa hệ thống vào vận hành.

4.2. Đảm bảo tính nhất quán và chuẩn hóa

Thư viện đối tượng HMI đảm bảo tính nhất quán và chuẩn hóa trong thiết kế giao diện, điều này rất quan trọng cho cả người vận hành và việc bảo trì hệ thống. Việc sử dụng các đối tượng từ cùng một thư viện giúp duy trì thương hiệu và bộ nhận diện của giao diện, với phong cách, màu sắc và bố cục đồng bộ.

Giao diện nhất quán dễ sử dụng hơn cho người vận hành vì họ đã quen thuộc với cách bố trí và chức năng của các yếu tố, giảm thời gian học hỏi. Ngoài ra, việc tuân thủ các tiêu chuẩn thiết kế thông qua thư viện cũng giảm sai sót trong quá trình thiết kế và vận hành.

4.3. Nâng cao chất lượng và độ tin cậy

Thư viện đối tượng HMI nâng cao chất lượng và độ tin cậy của giao diện vì các đối tượng trong đó đã trải qua quá trình kiểm thử kỹ lưỡng. Đối tượng đã kiểm thử đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác trong nhiều điều kiện khác nhau. Việc giảm thiểu lỗi phát sinh là một lợi ích trực tiếp từ việc tái sử dụng các thành phần đã được kiểm chứng, giúp hệ thống hoạt động mượt mà hơn và giảm thiểu sự cố.

4.4. Dễ dàng bảo trì và nâng cấp

Thư viện đối tượng HMI đơn giản hóa quá trình bảo trì và nâng cấp hệ thống Nhờ khả năng quản lý tập trung bất kỳ thay đổi nào được thực hiện trên một đối tượng khuôn mẫu trong thư viện sẽ tự động cập nhật đến tất cả các phiên bản của đối tượng đó trên các màn hình HMI. Điều này giảm chi phí và công sức đáng kể khi cần chỉnh sửa hoặc nâng cấp các tính năng, đặc biệt trong các dự án lớn với nhiều HMI.

4.5. Tối ưu hóa hiệu suất

Thư viện đối tượng HMI góp phần tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống. Các đối tượng trong thư viện thường được thiết kế và tối ưu hóa từ trước để hoạt động hiệu quả, giúp HMI phản hồi nhanh hơn và mượt mà hơn. Đối tượng được thiết kế tối ưu có thể giúp giảm tải cho bộ xử lý HMI, đặc biệt là với các đối tượng phức tạp có nhiều animation hoặc logic.

5. Các phần mềm HMI nổi bật với thư viện đối tượng mạnh mẽ

Nhiều phần mềm thiết kế HMI hàng đầu trên thị trường đã nhận ra tầm quan trọng của thư viện đối tượng và tích hợp chúng một cách sâu rộng vào hệ sinh thái của mình.

5.1. Siemens WinCC (trong TIA Portal)

Siemens WinCC, một phần của TIA Portal, nổi bật với hệ thống thư viện đối tượng mạnh mẽ và có cấu trúc rõ ràng. WinCC Library bao gồm ba cấp độ: thư viện hệ thống, thư viện dự án và thư viện toàn cầu.

Faceplates (WinCC có Faceplates) là tính năng cốt lõi, cho phép tạo và quản lý các đối tượng khuôn mẫu tái sử dụng một cách hiệu quả. Ngoài ra, Process Control Library (PCL) là một thư viện chuyên biệt, cung cấp các đối tượng được tối ưu hóa cho các ngành công nghiệp quy trình, như van, bơm, bồn chứa, giúp tăng tốc độ thiết kế cho các ứng dụng này.

5.2. Rockwell FactoryTalk View

Rockwell FactoryTalk View cung cấp một thư viện đối tượng phong phú và tích hợp chặt chẽ với hệ sinh thái Rockwell Automation, FactoryTalk View Object Library chứa đa dạng các thành phần đồ họa và điều khiển tiêu chuẩn. Global Objects là tính năng tương tự như Faceplates của Siemens, cho phép kỹ sư tạo và tái sử dụng các nhóm đối tượng phức tạp. Điểm đặc biệt của Rockwell là sự tích hợp sâu với Add-on Instructions (AOI) trong PLC Logix, cho phép HMI tự động nhận diện và kết nối với các khối chức năng được lập trình trong PLC, đơn giản hóa đáng kể quá trình liên kết dữ liệu.

5.3. Wonderware InTouch (AVEVA)

Wonderware InTouch, hiện thuộc AVEVA, được biết đến với hệ thống đồ họa tiên tiến và thư viện biểu tượng lớn. ArchestrA Graphics là hệ thống đồ họa cốt lõi, cung cấp khả năng tạo ra các đối tượng phức tạp và có thể kế thừa thuộc tính. Symbol Library chứa một kho tàng biểu tượng đa dạng cho nhiều ngành công nghiệp. Ngoài ra, tính năng Templates mạnh mẽ cho phép kỹ sư tạo các mẫu màn hình hoặc đối tượng để tái sử dụng, giúp chuẩn hóa và tăng tốc độ phát triển.

5.4. Ignition (Inductive Automation)

Ignition, một nền tảng HMI/SCADA/MES dựa trên web, có các thành phần giao diện động và khả năng tạo template mạnh mẽ. Perspective/Vision Components là các thành phần giao diện người dùng chính trong Ignition, cho phép tạo các HMI đáp ứng và tương tác. Templates (Ignition có Templates) trong Ignition rất linh hoạt, hỗ trợ khả năng kế thừa, giúp dễ dàng tạo các đối tượng và màn hình dựa trên các mẫu có sẵn và cập nhật chúng một cách tự động.

6. Hướng dẫn sử dụng thư viện đối tượng HMI hiệu quả

Để tối đa hóa lợi ích từ thư viện đối tượng HMI, việc áp dụng các phương pháp sử dụng hiệu quả là rất quan trọng, từ việc tìm kiếm đến quản lý và bảo trì.

6.1. Tìm kiếm và sử dụng đối tượng có sẵn

Việc tìm kiếm và sử dụng các đối tượng có sẵn trong thư viện là bước đầu tiên để tăng tốc độ thiết kế. Hầu hết các phần mềm HMI đều cung cấp giao diện trực quan cho phép bạn kéo và thả đơn giản các đối tượng từ thư viện vào màn hình làm việc. Sau khi đặt đối tượng, bạn cần cấu hình các thuộc tính và liên kết tag với các biến PLC tương ứng để đối tượng có thể hiển thị dữ liệu hoặc thực hiện điều khiển.

6.2. Tùy chỉnh và lưu lại đối tượng

Để đáp ứng nhu cầu cụ thể, kỹ sư có thể tùy chỉnh các đối tượng có sẵn và lưu chúng lại (Kỹ sư tùy chỉnh và lưu lại đối tượng). Điều này bao gồm thay đổi màu sắc, kích thước, font chữ hoặc thêm/bớt các thành phần con để phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế hoặc yêu cầu chức năng của dự án. Sau khi tùy chỉnh, đối tượng có thể được lưu lại dưới dạng đối tượng mới trong thư viện dự án hoặc thư viện toàn cầu, sẵn sàng cho việc tái sử dụng.

6.3. Tạo đối tượng khuôn mẫu (Faceplates/Global Objects)

Việc tạo đối tượng khuôn mẫu (Faceplates/Global Objects) là kỹ thuật nâng cao giúp quản lý các nhóm đối tượng phức tạp (Tạo đối tượng khuôn mẫu quản lý nhóm phức tạp). Quy trình này bao gồm:

• Xác định chức năng: Đầu tiên, bạn cần xác định rõ đối tượng cần làm gì và có những tham số nào cần thiết để điều khiển hoặc hiển thị thông tin.
• Thiết kế đồ họa: Tiếp theo, thiết kế giao diện bên trong faceplate bằng cách sắp xếp các đối tượng cơ bản và các thành phần khác.
• Cấu hình tham số (parameters): Sau đó, định nghĩa các biến đầu vào/đầu ra mà faceplate sẽ sử dụng để giao tiếp với PLC hoặc các thành phần khác của HMI.
• Kiểm thử: Cuối cùng, kiểm thử kỹ lưỡng đối tượng khuôn mẫu để đảm bảo nó hoạt động đúng như mong đợi trong các tình huống khác nhau trước khi đưa vào sử dụng rộng rãi.

6.4. Quản lý và bảo trì thư viện

Quản lý và bảo trì thư viện đối tượng hiệu quả là yếu tố then chốt để duy trì tính toàn vẹn và khả năng tái sử dụng của nó. Điều này bao gồm:

• Đặt tên rõ ràng: Đặt tên đối tượng một cách rõ ràng và có hệ thống giúp dễ dàng tìm kiếm và sử dụng sau này.
• Phân loại hợp lý: Sắp xếp các đối tượng theo chức năng, loại thiết bị hoặc ngành công nghiệp để dễ dàng quản lý và duyệt qua thư viện.
• Kiểm soát phiên bản: Sử dụng hệ thống kiểm soát phiên bản để quản lý các phiên bản khác nhau của cùng một đối tượng, cho phép quay lại phiên bản trước nếu cần và theo dõi lịch sử thay đổi.
• Sao lưu định kỳ: Thực hiện sao lưu định kỳ thư viện đối tượng để bảo vệ dữ liệu khỏi mất mát hoặc hỏng hóc.

7. Xu hướng phát triển của thư viện đối tượng HMI

Tương lai của thư viện đối tượng HMI đang chứng kiến những bước tiến đáng kể, được thúc đẩy bởi sự phát triển của Industry 4.0 và nhu cầu về các giao diện ngày càng thông minh, linh hoạt.

7.1. Đối tượng thông minh (Smart Objects)

Xu hướng này tập trung vào việc tích hợp sâu hơn các khả năng AI và Machine Learning vào các đối tượng HMI. Đối tượng thông minh tự động học hỏi và thích nghi dựa trên dữ liệu vận hành, có thể tự động cảnh báo các vấn đề tiềm ẩn hoặc đề xuất hành động tối ưu, giảm gánh nặng cho người vận hành.

7.2. Đối tượng Responsive và Web-based

Với sự phổ biến của thiết bị di động, các thư viện đối tượng HMI đang phát triển các thành phần responsive và web-based. Đối tượng Responsive tự động điều chỉnh kích thước và bố cục trên các thiết bị khác nhau (PC, tablet, mobile), cho phép truy cập HMI qua trình duyệt, mang lại sự linh hoạt tối đa cho việc giám sát và điều khiển từ xa.

7.3. Tích hợp mạnh mẽ với Digital Twin

Thư viện đối tượng HMI tích hợp mạnh mẽ với Digital Twin cho phép biểu diễn trực quan các mô hình vật lý của máy móc và quy trình. Điều này cung cấp khả năng mô phỏng và tương tác chân thực hơn giúp người vận hành hiểu rõ hơn về hoạt động của hệ thống, thực hiện đào tạo trong môi trường ảo, và kiểm tra các thay đổi trước khi áp dụng vào thực tế.

7.4. Cộng đồng chia sẻ thư viện

Xu hướng này khuyến khích việc phát triển và chia sẻ đối tượng HMI giữa người dùng, nhà phát triển và các nhà cung cấp. Điều này tạo ra một kho tàng tài nguyên khổng lồ, giúp các dự án mới có thể tận dụng các đối tượng đã được cộng đồng kiểm chứng, thúc đẩy sự đổi mới và giảm thời gian phát triển.

7.5. Thư viện chuyên ngành

Các nhà cung cấp phần mềm và bên thứ ba đang phát triển các gói thư viện đối tượng chuyên ngành được thiết kế riêng cho từng lĩnh vực cụ thể (ví dụ: xử lý nước thải, sản xuất thực phẩm và đồ uống, năng lượng, dược phẩm). Các thư viện này chứa các biểu tượng, faceplates và logic được tối ưu hóa cho các thiết bị và quy trình đặc thù của ngành đó.

8. Kết luận

Thư viện đối tượng HMI đã chứng tỏ mình là một công cụ không thể thiếu trong lĩnh vực thiết kế giao diện người-máy, góp phần quan trọng vào sự thành công của các dự án tự động hóa. Nó không chỉ đơn thuần là nơi lưu trữ các thành phần đồ họa mà còn là một kho tàng tri thức giúp tăng tốc độ phát triển dự án, đảm bảo tính nhất quán, nâng cao chất lượng, và đơn giản hóa công tác bảo trì.

Việc sử dụng và quản lý hiệu quả thư viện đối tượng HMI là một kỹ năng quan trọng mà mọi kỹ sư tự động hóa cần nắm vững để tạo ra các giao diện HMI chuyên nghiệp, tối ưu và đáp ứng được các yêu cầu ngày càng cao của sản xuất thông minh. Với những xu hướng phát triển như đối tượng thông minh và tích hợp Digital Twin, vai trò của thư viện đối tượng sẽ ngày càng trở nên quan trọng, định hình tương lai của HMI (Giao diện người – máy) trong các nhà máy của Industry 4.0.