Thiết kế HMI an toàn: Vai trò và thách thức của nút dừng khẩn cấp ảo trong sản xuất công nghiệp

Trong kỷ nguyên số hóa, HMI đã trở thành trái tim của mọi hệ thống tự động hóa công nghiệp. HMI cung cấp giao diện trực quan cho người vận hành, cho phép điều khiển và giám sát quy trình sản xuất một cách hiệu quả. Tuy nhiên, cùng với tiện ích, HMI cũng mang theo những thách thức an toàn nghiêm trọng. Mặc dù nút dừng khẩn cấp vật lý là bắt buộc, sự phụ thuộc ngày càng tăng vào HMI để điều khiển và giám sát đặt ra câu hỏi về vai trò của các giải pháp an toàn trên phần mềm. Nút dừng khẩn cấp ảo là một khái niệm gây tranh cãi, nhưng tiềm năng của nó trong việc tăng cường an toàn không thể bị bỏ qua, đặc biệt khi các HMI ngày càng phức tạp và đóng vai trò trung tâm trong quá trình vận hành. Bài viết này sẽ phân tích chi tiết khái niệm nút dừng khẩn cấp ảo, vai trò của nó trong một hệ thống an toàn tổng thể.

1. Khái niệm và vai trò của nút dừng khẩn cấp ảo trên HMI

Nút dừng khẩn cấp ảo là một thành phần giao diện phần mềm trên HMI, mô phỏng chức năng của nút dừng khẩn cấp vật lý, nhưng vai trò và giới hạn của nó đòi hỏi sự hiểu biết rõ ràng trong bối cảnh an toàn công nghiệp, không phải là sự thay thế cho các biện pháp an toàn vật lý bắt buộc.

1.1. Định nghĩa nút dừng khẩn cấp ảo

Nút dừng khẩn cấp ảo được định nghĩa là một thành phần phần mềm trên giao diện HMI mô phỏng hành động của một nút dừng khẩn cấp vật lý. Nút dừng khẩn cấp ảo là một biểu tượng hoặc nút điều khiển được hiển thị trên màn hình cảm ứng hoặc giao diện phần mềm của HMI. Nó mô phỏng hành động của nút dừng khẩn cấp vật lý, gửi tín hiệu đến hệ thống điều khiển để dừng hoặc đưa thiết bị về trạng thái an toàn một cách nhanh chóng. Điều quan trọng cần nhấn mạnh là nút ảo không bao giờ được phép thay thế nút dừng khẩn cấp vật lý bắt buộc theo các tiêu chuẩn an toàn quốc tế hiện hành.

1.2. Vai trò trong hệ thống an toàn tổng thể

Nút dừng khẩn cấp ảo đóng vai trò như một lớp bảo vệ bổ sung trong hệ thống an toàn tổng thể của nhà máy. Nút ảo hoạt động như một lớp bảo vệ bổ sung, tăng cường khả năng phản ứng trong các tình huống nguy hiểm khi người vận hành đang tương tác trực tiếp với HMI. Nó cho phép người vận hành kích hoạt dừng khẩn cấp ngay tại màn hình điều khiển mà không cần tìm đến nút vật lý, đặc biệt hữu ích khi nút vật lý không nằm trong tầm với tức thì.

Hơn nữa, nó có thể được tích hợp với các quy trình an toàn phức tạp, ví dụ như kích hoạt một quy trình dừng an toàn có trình tự được định sẵn. Cuối cùng, sự hiện diện của nút ảo nâng cao nhận thức của người vận hành về khả năng dừng khẩn cấp, khuyến khích sự cảnh giác liên tục.

2. Các nguyên tắc thiết kế HMI an toàn cho nút dừng khẩn cấp ảo

Để thiết kế nút dừng khẩn cấp ảo trên HMI một cách an toàn, cần tuân thủ các nguyên tắc nghiêm ngặt về vị trí, hình thức, phản hồi và chức năng để đảm bảo tính tin cậy và khả dụng trong tình huống khẩn cấp, tối thiểu hóa rủi ro và tăng cường sự an toàn.

2.1. Vị trí và khả năng tiếp cận

Vị trí và khả năng tiếp cận của nút dừng khẩn cấp ảo phải được thiết kế để đảm bảo người vận hành có thể nhanh chóng nhìn thấy và kích hoạt trong tình huống khẩn cấp. Nút ảo phải luôn hiển thị và cố định trên mọi màn hình liên quan đến vận hành, không bị ẩn hay yêu cầu nhiều thao tác để truy cập. Nó cần được đặt ở vị trí nổi bật, dễ nhìn thấy và dễ chạm đối với màn hình cảm ứng, hoặc dễ nhấp đối với chuột. Điều quan trọng là phải phân biệt rõ ràng nút ảo với các nút điều khiển khác để tránh nhầm lẫn trong thao tác.

2.2. Hình thức và khả năng nhận diện

Hình thức và khả năng nhận diện của nút dừng khẩn cấp ảo phải tuân thủ các quy ước quốc tế để đảm bảo người vận hành có thể nhận ra nó ngay lập tức. Cần sử dụng màu đỏ và hình dạng tiêu chuẩn, như hình tròn hoặc hình bát giác, theo quy ước quốc tế cho nút dừng khẩn cấp.

Phải sử dụng biểu tượng dừng khẩn cấp phổ quát, thường là hình bàn tay hoặc hình tròn có dấu X, kết hợp với văn bản “Dừng khẩn cấp” hoặc “Emergency Stop”. Nút ảo phải có kích thước nổi bật, lớn hơn đáng kể so với các nút chức năng thông thường. Cuối cùng, cần đảm bảo có đủ không gian trống xung quanh nút để tránh nhầm lẫn hoặc chạm nhầm vào các thành phần khác trên màn hình.

2.3. Phản hồi trực quan và âm thanh

Nút dừng khẩn cấp ảo cần cung cấp phản hồi trực quan và âm thanh rõ ràng để xác nhận hành động kích hoạt và trạng thái của hệ thống sau khi dừng khẩn cấp. Khi nút được nhấn, phải có phản hồi tức thì như nút “chìm xuống”, đổi màu, hoặc nhấp nháy nhanh để xác nhận rằng thao tác đã được ghi nhận. Sau khi được kích hoạt, nút phải hiển thị chỉ báo trạng thái rõ ràng như “đang dừng khẩn cấp” một cách nổi bật để người vận hành biết hệ thống đang trong quá trình dừng hoặc đã dừng an toàn.

2.4. Yêu cầu về thao tác

Các yêu cầu về thao tác đối với nút dừng khẩn cấp ảo cần được thiết kế cẩn thận để ngăn ngừa việc kích hoạt vô tình nhưng vẫn đảm bảo khả năng phản ứng nhanh chóng khi cần. Để ngăn ngừa vô tình kích hoạt, cần yêu cầu hai bước xác nhận, ví dụ: nhấn giữ nút trong một khoảng thời gian nhất định, hoặc nhấn nút rồi xác nhận lại qua một hộp thoại. Tín hiệu từ nút ảo phải có ưu tiên tuyệt đối, ghi đè mọi lệnh điều khiển khác để đảm bảo chức năng an toàn được thực thi ngay lập tức mà không bị cản trở.

2.5. Tích hợp với hệ thống an toàn

Việc tích hợp nút dừng khẩn cấp ảo với hệ thống an toàn tổng thể là yếu tố then chốt để đảm bảo tính hiệu quả và độ tin cậy của nó trong kịch bản an toàn. Cần đảm bảo kênh truyền thông đáng tin cậy từ HMI đến PLC an toàn (Safety PLC) hoặc bộ điều khiển an toàn, với độ tin cậy cao. Ngoài ra, cần có cơ chế kiểm tra và xác nhận tính toàn vẹn của cả nút ảo và đường truyền tín hiệu của nó một cách định kỳ, đảm bảo nó luôn sẵn sàng hoạt động khi cần.

3. Tiêu chuẩn và quy định liên quan đến thiết kế HMI an toàn

Thiết kế HMI an toàn và việc tích hợp nút dừng khẩn cấp ảo phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn và quy định quốc tế để đảm bảo mức độ an toàn và độ tin cậy cần thiết trong sản xuất công nghiệp, đồng thời giảm thiểu rủi ro pháp lý.

3.1. Tiêu chuẩn quốc tế

Các tiêu chuẩn quốc tế từ IEC và ISO đóng vai trò quan trọng trong việc định hình yêu cầu về an toàn chức năng và thiết kế HMI. IEC 61508 là tiêu chuẩn cơ bản về an toàn chức năng, xác định các cấp độ toàn vẹn an toàn và yêu cầu cho cả phần cứng và phần mềm, bao gồm các hệ thống điện, điện tử và điện tử lập trình có liên quan đến an toàn.

IEC 62061 áp dụng IEC 61508 cho máy móc, liên quan trực tiếp đến thiết kế hệ thống điều khiển an toàn, trong đó có HMI. Trong khi đó, ISO 13849 xác định các mức độ hiệu suất cho các bộ phận liên quan đến an toàn của hệ thống điều khiển, cung cấp phương pháp tiếp cận dựa trên rủi ro để đánh giá an toàn.

3.2. Tiêu chuẩn HMI chuyên biệt

Tiêu chuẩn HMI chuyên biệt như ISA 101.01 tuy không trực tiếp quy định về nút dừng khẩn cấp ảo, nhưng đưa ra các khuyến nghị chung về thiết kế giao diện giúp hỗ trợ an toàn. ISA 101.01 Human Machine Interfaces for Process Automation Systems đưa ra các khuyến nghị về thiết kế giao diện HMI để giảm thiểu lỗi của người vận hành, từ đó gián tiếp tăng cường an toàn. Tiêu chuẩn này tập trung vào việc tạo ra các giao diện trực quan, dễ hiểu và nhất quán, điều này rất quan trọng để người vận hành có thể phản ứng đúng đắn trong các tình huống khẩn cấp, dù có nút ảo hay không.

3.3. Luật pháp và quy định địa phương

Các luật pháp và quy định địa phương thường có những yêu cầu cụ thể về nút dừng khẩn cấp, mà nút ảo không thể thay thế. Quy định của OSHA, EU Machinery Directive, v.v., thường yêu cầu nút dừng khẩn cấp vật lý phải là cơ cấu tác động trực tiếp và độc lập với phần mềm điều khiển chính. Điều này có nghĩa là nút ảo không thể thay thế yêu cầu này như một phương tiện dừng khẩn cấp chính. Ngoài ra, yêu cầu chứng nhận là rất quan trọng để đảm bảo HMI và các chức năng an toàn của nó được chứng nhận bởi các tổ chức uy tín, tuân thủ các quy định hiện hành.

Dưới đây là bảng tổng hợp các tiêu chuẩn an toàn chính liên quan đến HMI:

Tiêu chuẩn	Lĩnh vực	Mô tả chính	Liên quan đến HMI/Nút ảo
IEC 61508	An toàn chức năng E/E/PE	Tiêu chuẩn cơ bản về quản lý an toàn chức năng của các hệ thống điện/điện tử/điện tử lập trình.	Xác định các yêu cầu SIL cho phần cứng và phần mềm, áp dụng cho logic an toàn liên quan đến HMI.
IEC 62061	An toàn máy móc (hệ thống điều khiển)	Áp dụng IEC 61508 cho máy móc, tập trung vào an toàn chức năng của hệ thống điều khiển liên quan đến an toàn.	Hướng dẫn thiết kế các chức năng an toàn trên HMI, bao gồm các yêu cầu về phần mềm an toàn.
ISO 13849	An toàn máy móc (bộ phận điều khiển)	Xác định các Performance Level (PL) cho các bộ phận liên quan đến an toàn của hệ thống điều khiển.	Cung cấp phương pháp đánh giá rủi ro cho các thành phần an toàn, có thể áp dụng cho việc đánh giá nút ảo (như một lớp bổ sung).
ISA 101.01	Giao diện Người-Máy	Đưa ra các khuyến nghị chung về thiết kế HMI để nâng cao hiệu quả vận hành và giảm lỗi con người.	Không trực tiếp quy định nút ảo, nhưng các nguyên tắc thiết kế tốt của nó hỗ trợ gián tiếp việc tạo ra HMI an toàn.
EU Machinery Directive	Luật pháp EU	Quy định các yêu cầu an toàn cơ bản cho máy móc bán tại EU, bao gồm nút dừng khẩn cấp vật lý.	Nút ảo không thể thay thế nút vật lý theo quy định này.

4. Thách thức và hạn chế của nút dừng khẩn cấp ảo

Mặc dù có tiềm năng, việc triển khai nút dừng khẩn cấp ảo trên HMI đối mặt với nhiều thách thức và hạn chế cố hữu liên quan đến độ tin cậy, yếu tố con người và các quy định pháp lý, đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng trước khi áp dụng.

4.1. Độ tin cậy và sự phụ thuộc vào phần mềm

Độ tin cậy của nút dừng khẩn cấp ảo bị ảnh hưởng đáng kể bởi sự phụ thuộc vào phần mềm, vốn có thể gặp lỗi hoặc bị tấn công. Nguy cơ lỗi phần mềm là có thật; phần mềm HMI có thể bị treo, đóng băng, hoặc gặp lỗi khiến nút ảo không hoạt động khi cần thiết nhất. Ngoài ra, nguy cơ tấn công mạng hoặc phần mềm độc hại cũng cao, khi HMI kết nối mạng có thể bị xâm nhập, vô hiệu hóa chức năng an toàn quan trọng. Thêm vào đó, nút ảo phụ thuộc vào nguồn điện liên tục của HMI, trong khi nút vật lý thường được thiết kế để hoạt động độc lập hoặc có nguồn dự phòng riêng, đảm bảo hoạt động ngay cả khi mất điện.

4.2. Yếu tố con người

Yếu tố con người đặt ra những thách thức đáng kể đối với nút dừng khẩn cấp ảo do thiếu phản hồi xúc giác và khả năng phản ứng khác biệt. Nút ảo không có phản hồi xúc giác như cảm giác “ấn xuống” của nút vật lý, điều này có thể gây cảm giác không chắc chắn cho người vận hành trong tình huống căng thẳng. Nguy cơ vô tình kích hoạt cao hơn trên màn hình cảm ứng, đòi hỏi cơ chế xác nhận nghiêm ngặt để tránh thao tác nhầm.

Thời gian phản ứng của người vận hành có thể chậm hơn khi phải tìm và kích hoạt nút ảo so với nút vật lý trực quan, dễ tìm. Cuối cùng, môi trường khắc nghiệt trong công nghiệp có thể khiến màn hình HMI bị bẩn, ẩm ướt hoặc hỏng, làm giảm khả năng sử dụng của nút ảo.

4.3. Thách thức pháp lý và chứng nhận

Nút dừng khẩn cấp ảo đối mặt với những thách thức pháp lý và chứng nhận đáng kể do quy định hiện hành và sự phức tạp của việc đánh giá an toàn phần mềm. Hầu hết các tiêu chuẩn an toàn hiện hành không công nhận nút ảo là phương tiện dừng khẩn cấp chính, điều này hạn chế vai trò của nó. Quy trình chứng nhận an toàn cho một chức năng an toàn dựa trên phần mềm phức tạp hơn nhiều so với các thành phần phần cứng, đòi hỏi phân tích rủi ro và kiểm định nghiêm ngặt theo các cấp độ SIL hoặc PL.

4.4. Khả năng bảo trì và cập nhật

Khả năng bảo trì và cập nhật của nút dừng khẩn cấp ảo cũng đặt ra những thách thức riêng, liên quan đến việc duy trì chức năng an toàn theo thời gian. Cần có quy trình kiểm tra định kỳ để đảm bảo nút ảo luôn hoạt động chính xác và đáng tin cậy. Hơn nữa, các bản cập nhật hệ điều hành hoặc phần mềm HMI có thể vô tình ảnh hưởng đến chức năng an toàn của nút ảo, đòi hỏi phải kiểm tra lại kỹ lưỡng sau mỗi lần cập nhật.

5. Chiến lược tích hợp nút dừng khẩn cấp ảo vào hệ thống HMI an toàn

Để tối đa hóa lợi ích và giảm thiểu rủi ro, việc tích hợp nút dừng khẩn cấp ảo vào HMI phải theo một chiến lược toàn diện, bổ sung cho các biện pháp an toàn vật lý và tuân thủ các quy định nghiêm ngặt, tạo nên một hệ thống phòng vệ đa lớp.

5.1. Luôn ưu tiên nút dừng khẩn cấp vật lý

Luôn ưu tiên nút dừng khẩn cấp vật lý là nguyên tắc cơ bản và không thể thay thế trong mọi hệ thống an toàn công nghiệp. Nút dừng khẩn cấp vật lý luôn là phương tiện dừng chính, bắt buộc và có độ ưu tiên cao nhất trong mọi tình huống khẩn cấp. Nó phải hoạt động độc lập với HMI và hệ thống điều khiển chính, đảm bảo khả năng dừng ngay cả khi HMI gặp sự cố.

5.2. Thiết kế đa lớp bảo vệ

Thiết kế đa lớp bảo vệ là chiến lược an toàn cốt lõi, trong đó nút ảo là một lớp bổ sung quan trọng cho các biện pháp an toàn vật lý. Nút ảo là một lớp bảo vệ thứ cấp, bổ sung cho nút vật lý, không thay thế nó. Chiến lược này kết hợp các biện pháp an toàn khác, bao gồm nút ảo cùng với các cảnh báo an toàn HMI rõ ràng, khóa an toàn HMI để ngăn chặn thao tác không mong muốn, và quy trình vận hành an toàn được đào tạo kỹ lưỡng.

5.3. Quy trình xác minh và kiểm định nghiêm ngặt

Quy trình xác minh và kiểm định nghiêm ngặt là bắt buộc để đảm bảo nút dừng khẩn cấp ảo hoạt động đáng tin cậy và tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn. Cần thiết lập các quy trình kiểm tra chức năng liên tục để đảm bảo nút ảo luôn hoạt động chính xác. Ngoài ra, phần mềm HMI và logic liên quan đến nút ảo cần được chứng nhận an toàn, tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn phần mềm như yêu cầu theo SIL (Safety Integrity Level) hoặc PL (Performance Level).

5.4. Đào tạo và nhận thức người vận hành

Đào tạo và nâng cao nhận thức người vận hành là yếu tố then chốt để đảm bảo họ hiểu rõ vai trò và giới hạn của nút dừng khẩn cấp ảo. Cần hướng dẫn sử dụng rõ ràng cho người vận hành về chức năng, giới hạn và cách sử dụng đúng của nút dừng khẩn cấp ảo. Luôn nhấn mạnh ưu tiên nút vật lý; người vận hành cần được đào tạo rằng nút vật lý là lựa chọn đầu tiên và đáng tin cậy nhất trong mọi tình huống khẩn cấp. Đây là một phần quan trọng của đào tạo vận hành an toàn HMI.

5.5. Thiết kế UI/UX an toàn

Thiết kế UI/UX an toàn là yếu tố không thể thiếu để tạo ra một giao diện thân thiện và giảm thiểu lỗi của con người khi sử dụng nút ảo. Cần áp dụng các nguyên tắc Human Factors trong an toàn HMI, tập trung vào thiết kế giao diện người dùng để giảm thiểu lỗi và tăng cường khả năng nhận thức trong tình huống căng thẳng. Cuối cùng, đảm bảo mọi phản hồi từ nút ảo đều rõ ràng và không mơ hồ, giúp người vận hành xác nhận hành động của mình một cách chính xác.

6. Kết luận

Thiết kế HMI an toàn, đặc biệt là việc tích hợp nút dừng khẩn cấp ảo, là một yếu tố quan trọng nhưng đầy thách thức trong sản xuất công nghiệp hiện đại. Mặc dù nút ảo không thể thay thế nút dừng khẩn cấp vật lý, nó có tiềm năng trở thành một lớp bảo vệ bổ sung có giá trị, cung cấp khả năng phản ứng nhanh chóng tại điểm tương tác và hỗ trợ các quy trình khẩn cấp. Tuy nhiên, việc triển khai đòi hỏi sự tuân thủ nghiêm ngặt các nguyên tắc thiết kế về vị trí, hình thức, phản hồi, và quan trọng nhất là các tiêu chuẩn an toàn quốc tế như IEC 61508 và ISO 13849.

Các thách thức về độ tin cậy phần mềm, yếu tố con người và rào cản pháp lý cần được nhận diện và khắc phục thông qua chiến lược tích hợp đa lớp bảo vệ, quy trình kiểm định nghiêm ngặt và đào tạo chuyên sâu. Khi được thiết kế và triển khai đúng cách, nút dừng khẩn cấp ảo sẽ góp phần đáng kể vào việc nâng cao an toàn HMI.