HMI
Tự động hóa các thao tác thủ công qua HMI: Chìa khóa nâng cao hiệu quả và an toàn trong sản xuất công nghiệp
Trong bối cảnh Công nghiệp 4.0 phát triển mạnh mẽ, các nhà máy đang nỗ lực tối đa hóa hiệu suất và giảm thiểu rủi ro từ các hoạt động lặp đi lặp lại hoặc dễ gây lỗi. Nhiều quy trình sản xuất vẫn phụ thuộc vào các thao tác thủ công, dẫn đến nguy cơ sai sót của con người (lỗi người vận hành), lãng phí thời gian, và tiềm ẩn rủi ro an toàn đáng kể. Việc chuyển đổi các thao tác này thành quy trình tự động là một thách thức, đòi hỏi công cụ giao tiếp hiệu quả và trực quan giữa người và máy. HMI (Giao diện người – máy) đã nổi lên với vai trò trung tâm, không chỉ là điểm điều khiển mà còn là nền tảng thiết yếu để tự động hóa các thao tác thủ công qua HMI, biến các lệnh phức tạp thành các hành động tự động chỉ với vài lần chạm. Bài viết này sẽ đi sâu vào cách HMI và tự động hóa có thể chuyển đổi quy trình sản xuất, từ việc xác định các thao tác cần tự động hóa các thao tác thủ công qua HMI đến các phương pháp lập trình và tích hợp HMI và PLC.
1. Thao tác thủ công trong sản xuất và nhu cầu tự động hóa
Các thao tác thủ công vẫn tồn tại rộng rãi trong sản xuất, gây ra nhiều hạn chế về hiệu quả, chất lượng và an toàn, tạo ra nhu cầu cấp thiết về tự động hóa thông qua HMI để nâng cao năng lực cạnh tranh.
1.1. Nhận diện các thao tác thủ công phổ biến
Các thao tác thủ công phổ biến trong sản xuất thường là những công việc lặp đi lặp lại, cần nhập liệu hoặc điều chỉnh trực tiếp, tiềm ẩn nguy cơ sai sót và kém hiệu quả. Các công việc lặp đi lặp lại như nhập liệu thủ công các thông số vào máy, điều chỉnh van bằng tay, hoặc kiểm tra sản phẩm bằng mắt thường vẫn phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp.
Ví dụ cụ thể về các thao tác thủ công bao gồm việc nhập công thức sản phẩm một cách thủ công trên bàn phím điều khiển, điều chỉnh các van hoặc bộ phận cơ khí bằng tay, nhấn một chuỗi nhiều nút vật lý để khởi động một quy trình phức tạp, hoặc ghi chép dữ liệu sản xuất bằng tay vào sổ sách hoặc bảng tính. Những thao tác này đòi hỏi sự can thiệp liên tục từ người vận hành.
1.2. Hạn chế và rủi ro của thao tác thủ công
Hạn chế và rủi ro của thao tác thủ công bao gồm nguy cơ lỗi người vận hành, lãng phí thời gian, rủi ro an toàn, thiếu nhất quán và thách thức trong việc thu thập dữ liệu. Lỗi người vận hành HMI là rủi ro hàng đầu, phát sinh do mệt mỏi, thiếu tập trung, hoặc độ phức tạp của quy trình. Điều này dẫn đến sản phẩm lỗi hoặc phải làm lại.
Lãng phí thời gian và giảm hiệu quả thể hiện qua thời gian chu kỳ kéo dài, gián đoạn sản xuất, và các thao tác chậm chạp của con người so với máy móc. Rủi ro an toàn cũng là một mối lo ngại lớn, đặc biệt khi người vận hành phải tiếp xúc trực tiếp với máy móc nguy hiểm hoặc thực hiện thao tác không đúng quy trình.
Sự thiếu nhất quán trong chất lượng sản phẩm xảy ra do khác biệt giữa các ca vận hành hoặc giữa các nhân viên, khiến việc đảm bảo chất lượng đồng đều trở nên khó khăn. Cuối cùng, thách thức thu thập dữ liệu xuất hiện khi dữ liệu bị ghi tay, dẫn đến không chính xác, thiếu đầy đủ và khó khăn trong việc phân tích tổng thể hiệu suất sản xuất.
1.3. Tại sao cần tự động hóa các thao tác này?
Tự động hóa các thao tác thủ công là cần thiết để tăng hiệu quả, giảm lỗi, cải thiện an toàn và thúc đẩy chuyển đổi số trong sản xuất. Tăng hiệu quả HMI và năng suất là mục tiêu chính, bằng cách rút ngắn thời gian chu kỳ sản xuất, giảm thời gian ngừng máy, và cho phép hệ thống hoạt động liên tục hơn.
Việc giảm lỗi người vận hành HMI và nâng cao chất lượng sản phẩm được đảm bảo khi máy móc thực hiện các bước một cách chính xác và lặp lại, loại bỏ sai sót thủ công. Cải thiện an toàn HMI tại nơi làm việc là một lợi ích quan trọng khác, do giảm thiểu sự tương tác trực tiếp của con người với máy móc nguy hiểm.
Hơn nữa, tự động hóa các thao tác thủ công thúc đẩy chuyển đổi số HMI, tạo nền tảng vững chắc cho việc xây dựng các quy trình sản xuất tự động hoàn chỉnh và phát triển một nhà máy thông minh HMI toàn diện.
2. HMI: Công cụ trung tâm để tự động hóa thao tác thủ công
HMI đóng vai trò trung tâm trong việc tự động hóa các thao tác thủ công bằng cách cung cấp giao diện trực quan, khả năng lập trình linh hoạt và tích hợp liền mạch với hệ thống điều khiển, biến các lệnh phức tạp thành hành động đơn giản.
2.1. HMI chuyển đổi lệnh thủ công thành quy trình tự động
HMI có khả năng chuyển đổi hàng loạt lệnh thủ công thành các quy trình tự động chỉ với một thao tác đơn giản, giúp đơn giản hóa đáng kể việc vận hành. Thay vì yêu cầu người vận hành nhấn hàng loạt nút vật lý hoặc thực hiện nhiều bước phức tạp, HMI gom nhóm các thao tác này thành một “nút” ảo hoặc một chuỗi lệnh tự động trên màn hình cảm ứng.
Ví dụ điển hình là khởi động chuỗi quy trình sản xuất: chỉ cần một nút “Khởi động sản xuất” trên HMI, hệ thống sẽ tự động kích hoạt hàng loạt lệnh liên tiếp như bật bơm, mở van, khởi động băng tải, và điều chỉnh nhiệt độ theo trình tự đã được lập trình.
Tương tự, khi thay đổi công thức hoặc sản phẩm, người vận hành chỉ cần chọn công thức mong muốn trên HMI, và hệ thống sẽ tự động tải cũng như áp dụng các cài đặt thông số máy tương ứng, đảm bảo quá trình chuyển đổi diễn ra nhanh chóng và chính xác.
2.2. Lập trình HMI cho tự động hóa các chuỗi lệnh
Việc lập trình HMI cho phép tự động hóa các chuỗi lệnh phức tạp thông qua các công cụ trực quan và tính năng quản lý công thức, giúp hệ thống phản ứng linh hoạt với các yêu cầu vận hành. Lập trình HMI cho tự động hóa các chuỗi lệnh được thực hiện bằng cách sử dụng các ngôn ngữ lập trình hoặc công cụ kéo thả có sẵn trong phần mềm HMI để tạo ra các macro hoặc script tự động.
Các tính năng nổi bật của HMI hỗ trợ tự động hóa bao gồm chức năng Recipe Management (quản lý công thức), cho phép lưu trữ và tải các bộ thông số khác nhau; Macro scripting để thực thi các chuỗi lệnh tuần tự; và Event-driven actions (hành động dựa trên sự kiện), nơi HMI tự động kích hoạt một hành động khi một điều kiện nhất định được đáp ứng.
Ví dụ cụ thể là lập trình HMI để thực hiện chu trình vệ sinh tại chỗ (CIP): khi người vận hành nhấn nút “Làm sạch CIP” trên HMI, HMI sẽ gửi một chuỗi lệnh đến PLC để tự động thực hiện quy trình vệ sinh (đóng van, bơm dung dịch vệ sinh, tuần hoàn, xả).
2.3. Tích hợp HMI và PLC để tự động hóa sâu rộng
Tích hợp HMI và PLC là nền tảng cốt lõi cho tự động hóa sâu rộng, với HMI đóng vai trò giao diện và PLC là bộ não thực hiện các lệnh, đảm bảo kiểm soát quy trình chặt chẽ và đồng bộ. Trong hệ thống tự động hóa, HMI là giao diện tương tác giữa người và máy, trong khi PLC (Bộ điều khiển logic khả trình) là bộ não thực hiện các lệnh điều khiển thực tế tại hiện trường.
Cách thức hoạt động của sự tích hợp này là người vận hành tương tác với HMI (ví dụ: nhấn nút, nhập thông số), HMI sau đó gửi tín hiệu đến PLC, và PLC sẽ thực thi các chuỗi lệnh phức tạp đến các thiết bị trường như động cơ, van, và cảm biến.
Lợi ích của sự tích hợp này là tạo ra sự đồng bộ và kiểm soát chặt chẽ giữa giao diện người dùng và hoạt động thực tế của máy móc, hỗ trợ kiểm soát quy trình HMI hiệu quả và đảm bảo các quy trình sản xuất tự động diễn ra chính xác theo kế hoạch.
Dưới đây là bảng so sánh thao tác thủ công và tự động hóa qua HMI:
| Đặc điểm | Thao tác thủ công | Tự động hóa qua HMI |
| Tốc độ | Chậm, phụ thuộc vào tốc độ và kinh nghiệm người vận hành. | Nhanh chóng, tức thì, nhất quán. |
| Độ chính xác | Dễ xảy ra lỗi do yếu tố con người, thiếu tập trung. | Rất cao, lặp lại chính xác theo lập trình, giảm lỗi người vận hành HMI. |
| Tính nhất quán | Thay đổi giữa các ca, nhân viên. | Nhất quán 100% theo quy trình đã lập trình. |
| An toàn | Rủi ro tiếp xúc trực tiếp với máy móc nguy hiểm. | Cải thiện an toàn HMI do giảm tương tác vật lý. |
| Thu thập dữ liệu | Thủ công, dễ sai sót, khó tổng hợp. | Tự động, chính xác, dễ dàng tích hợp vào hệ thống cấp cao hơn. |
| Phức tạp | Yêu cầu đào tạo nhiều, khó nhớ trình tự phức tạp. | Đơn giản hóa thành các nút bấm/lựa chọn trực quan, dễ sử dụng. |
| Thời gian chu kỳ | Kéo dài do các bước thủ công, thời gian chờ. | Giảm thời gian chu kỳ HMI nhờ tối ưu hóa trình tự và tốc độ. |
| Chi phí | Chi phí nhân công cao, chi phí do lỗi/làm lại. | Đầu tư ban đầu cao hơn, nhưng giảm chi phí vận hành và lãng phí về lâu dài. |
3. Lợi ích cụ thể của tự động hóa thao tác thủ công qua HMI
Tự động hóa các thao tác thủ công qua HMI mang lại nhiều lợi ích cụ thể và rõ rệt, từ việc nâng cao hiệu quả và an toàn đến việc cải thiện chất lượng và giảm lỗi con người, góp phần tối ưu hóa toàn bộ quy trình sản xuất.
3.1. Giảm lỗi người vận hành HMI và nâng cao chất lượng
Tự động hóa qua HMI giúp giảm đáng kể lỗi người vận hành và nâng cao chất lượng sản phẩm bằng cách loại bỏ yếu tố sai sót của con người và đảm bảo tính nhất quán trong mọi thao tác.
Việc loại bỏ yếu tố sai sót con người là lợi ích hàng đầu, vì máy móc thực hiện các bước một cách chính xác và lặp lại theo lập trình, không bị ảnh hưởng bởi mệt mỏi hay thiếu tập trung. Điều này đảm bảo tính nhất quán trong mỗi lần thực hiện, giúp giảm biến động chất lượng và đảm bảo rằng mỗi sản phẩm đều đáp ứng các tiêu chuẩn đề ra.
Ngoài ra, HMI có thể tích hợp các chức năng cảnh báo và kiểm tra tự động, ví dụ như cảnh báo nếu thông số nhập sai, hoặc tự động kiểm tra các điều kiện tiên quyết trước khi cho phép một thao tác, ngăn chặn lỗi ngay từ đầu và nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng.
3.2. Tăng hiệu quả HMI và giảm thời gian chu kỳ HMI
Tự động hóa các thao tác thủ công qua HMI trực tiếp tăng tốc độ vận hành, giảm thời gian chuyển đổi và tối ưu hóa trình tự công việc, dẫn đến tăng hiệu quả và năng suất tổng thể. Tăng tốc độ vận hành là một lợi ích rõ rệt, vì máy móc thực hiện các lệnh nhanh hơn và chính xác hơn so với con người.
Giảm thời gian chuyển đổi (setup time) cũng được cải thiện đáng kể khi HMI có thể tự động tải công thức hoặc cấu hình máy chỉ với một vài thao tác đơn giản. Hơn nữa, HMI giúp tối ưu hóa trình tự công việc bằng cách thực hiện các chuỗi lệnh một cách tuần tự và hiệu quả nhất, loại bỏ các bước chờ đợi không cần thiết. Tất cả những yếu tố này gộp lại sẽ dẫn đến tăng năng suất HMI tổng thể của dây chuyền sản xuất và giảm thời gian chu kỳ HMI.
3.3. Cải thiện an toàn HMI tại nơi làm việc
Tự động hóa các thao tác thủ công qua HMI góp phần cải thiện an toàn tại nơi làm việc bằng cách giảm tiếp xúc của con người với khu vực nguy hiểm và đảm bảo tuân thủ nghiêm ngặt các quy trình an toàn. Giảm tiếp xúc với khu vực nguy hiểm là lợi ích an toàn chính, vì người vận hành có thể điều khiển và giám sát máy móc từ xa thông qua HMI, tránh phải vào các khu vực có rủi ro cao.
HMI cũng giúp thực thi quy trình an toàn một cách nghiêm ngặt, đảm bảo rằng tất cả các bước an toàn cần thiết được tuân thủ trước khi cho phép vận hành máy. Ngoài ra, khả năng phản ứng nhanh với sự cố được cải thiện đáng kể, vì các quy trình dừng khẩn cấp hoặc xử lý lỗi có thể được kích hoạt tự động hoặc nhanh chóng thông qua HMI, giảm thiểu rủi ro chấn thương hoặc hư hại thiết bị.
3.4. Chuẩn hóa và tối ưu hóa vận hành HMI
Tự động hóa qua HMI giúp chuẩn hóa và tối ưu hóa vận hành bằng cách đảm bảo tuân thủ các quy trình chuẩn, cho phép tinh chỉnh liên tục và đơn giản hóa quá trình đào tạo nhân sự. HMI đảm bảo tuân thủ các Quy trình vận hành chuẩn (SOP) đã được lập trình, loại bỏ sự khác biệt trong cách thức thực hiện công việc giữa các nhân viên.
Điều này cho phép tối ưu hóa vận hành HMI bằng cách dễ dàng điều chỉnh và tinh chỉnh các chuỗi tự động để đạt được hiệu suất cao nhất. Hơn nữa, quá trình đào tạo nhân viên trở nên dễ dàng hơn, vì người vận hành mới có thể học cách sử dụng các lệnh tự động hóa trên HMI một cách nhanh chóng và hiệu quả, thay vì phải ghi nhớ hàng loạt thao tác thủ công phức tạp.
4. Triển khai tự động hóa thao tác thủ công qua HMI
Để triển khai tự động hóa các thao tác thủ công qua HMI hiệu quả, cần có một quy trình rõ ràng từ xác định nhu cầu, thiết kế và lập trình, đến tích hợp, kiểm thử và đào tạo nhân sự.
4.1. Xác định các thao tác cần tự động hóa
Việc xác định các thao tác thủ công cần tự động hóa là bước khởi đầu quan trọng, đòi hỏi phân tích kỹ lưỡng quy trình hiện tại, ưu tiên các tác vụ có tác động lớn và tham khảo ý kiến của người vận hành. Doanh nghiệp cần phân tích quy trình hiện tại để đánh giá và nhận diện các công việc lặp đi lặp lại, tốn thời gian, dễ gây lỗi, hoặc tiềm ẩn rủi ro an toàn.
Sau đó, ưu tiên những thao tác có tác động lớn nhất đến hiệu quả, chất lượng hoặc an toàn sản xuất. Tham khảo ý kiến người vận hành trực tiếp là điều cần thiết, vì họ là người hiểu rõ nhất những điểm khó khăn, các nút thắt cổ chai và những cơ hội cải tiến trong quy trình hàng ngày.
4.2. Thiết kế và lập trình HMI cho tự động hóa
Thiết kế và lập trình HMI cho tự động hóa là bước hiện thực hóa ý tưởng, bao gồm phác thảo giao diện trực quan, lập trình logic HMI và xây dựng logic PLC tương ứng để điều khiển thiết bị. Bước này bắt đầu bằng việc phác thảo giao diện người dùng trên HMI, thiết kế các nút bấm ảo, trường nhập liệu, và màn hình xác nhận sao cho trực quan và dễ sử dụng.
Tiếp theo, tiến hành lập trình HMI cho tự động hóa bằng cách viết các logic, macro, hoặc cấu hình chức năng quản lý công thức (recipe management) trong phần mềm HMI. Đồng thời, cần xây dựng logic PLC tương ứng, lập trình bộ điều khiển logic khả trình để phản hồi các lệnh từ HMI và thực thi chuỗi hành động mong muốn trên thiết bị trường.
4.3. Tích hợp và kiểm thử hệ thống
Việc tích hợp và kiểm thử hệ thống là giai đoạn quan trọng để đảm bảo tất cả các thành phần hoạt động hài hòa và các chuỗi tự động hóa vận hành chính xác, hiệu quả. Đầu tiên, cần đảm bảo kết nối liền mạch giữa HMI, PLC và các thiết bị trường thông qua các giao thức truyền thông phù hợp.
Sau đó, thực hiện kiểm thử chức năng toàn diện các chuỗi tự động hóa trong môi trường mô phỏng hoặc với rủi ro thấp, để phát hiện và sửa lỗi trước khi triển khai thực tế. Cuối cùng, kiểm thử hiệu suất để đảm bảo chuỗi tự động hoạt động đúng tốc độ và hiệu quả mong muốn, đáp ứng các yêu cầu về năng suất.
4.4. Đào tạo và quản lý thay đổi
Đào tạo nhân sự và quản lý thay đổi là yếu tố then chốt để đảm bảo sự chấp nhận và hiệu quả của các giải pháp tự động hóa HMI, thúc đẩy văn hóa cải tiến trong tổ chức. Việc đào tạo người vận hành là cực kỳ quan trọng, huấn luyện họ cách sử dụng các tính năng tự động hóa mới trên HMI, cách xử lý các tình huống lỗi hoặc sự cố.
Thúc đẩy văn hóa chấp nhận và ủng hộ các thay đổi bằng cách giải thích rõ ràng lợi ích của tự động hóa, và khuyến khích nhân viên tham gia tích cực vào quá trình cải tiến. Cuối cùng, thường xuyên giám sát và tinh chỉnh hệ thống sau triển khai, thu thập phản hồi từ người dùng để liên tục cải tiến các chuỗi tự động hóa và tối ưu hóa vận hành.
5. Tương lai của HMI trong tự động hóa và nhà máy thông minh
HMI sẽ tiếp tục phát triển vai trò của mình trong tự động hóa, hướng tới các giao diện thông minh hơn, tích hợp sâu rộng hơn với AI và hỗ trợ xây dựng một nhà máy thông minh HMI hoàn chỉnh, nơi hiệu suất vận hành được tối ưu hóa liên tục.
5.1. HMI thông minh và trợ lý ảo
Tương lai của HMI hướng tới sự thông minh hơn thông qua việc tích hợp Trí tuệ nhân tạo (AI) và trợ lý ảo, cho phép học hỏi hành vi, dự đoán lỗi và đưa ra gợi ý tối ưu để nâng cao hiệu quả vận hành. HMI thông minh sẽ tích hợp AI để học hỏi hành vi của người vận hành và các mẫu hình hoạt động của máy, từ đó dự đoán lỗi tiềm ẩn và đưa ra gợi ý tối ưu.
Ví dụ, HMI có thể gợi ý điều chỉnh thông số dựa trên dữ liệu lịch sử và hiệu suất mục tiêu để đạt hiệu quả cao hơn, hoặc tự động kích hoạt chuỗi hành động khắc phục khi phát hiện một điều kiện bất thường. Các trợ lý ảo trên HMI sẽ giúp người vận hành tương tác bằng giọng nói hoặc ngôn ngữ tự nhiên, đơn giản hóa các thao tác phức tạp.
5.2. Tích hợp HMI và robot/công nghệ tự động hóa nâng cao
HMI sẽ trở thành giao diện điều khiển và giám sát trung tâm cho các hệ thống robot và công nghệ tự động hóa nâng cao, đơn giản hóa việc quản lý các quy trình sản xuất phức tạp. HMI sẽ ngày càng được tích hợp sâu rộng với các hệ thống robot, AGV (xe tự hành có dẫn hướng), và các công nghệ tự động hóa khác.
HMI sẽ đóng vai trò là giao diện điều khiển và giám sát trung tâm, cho phép người vận hành dễ dàng điều khiển, theo dõi và quản lý toàn bộ hệ thống robot hoặc các dây chuyền tự động hóa phức tạp từ một điểm duy nhất.
Lợi ích của sự tích hợp này là đơn giản hóa việc điều khiển các hệ thống phức tạp, cho phép người vận hành giám sát toàn bộ quy trình sản xuất tự động và phản ứng nhanh chóng khi cần thiết.
5.3. Vai trò của HMI trong Chuyển đổi số HMI và Nhà máy thông minh HMI
HMI đóng vai trò then chốt trong Chuyển đổi số và xây dựng Nhà máy thông minh bằng cách trở thành điểm chạm dữ liệu quan trọng và giao diện số hóa để tối ưu hóa vận hành. HMI là một trong những điểm thu thập dữ liệu quan trọng nhất từ sàn nhà máy, cung cấp thông tin thời gian thực và lịch sử cho các hệ thống quản lý sản xuất (MES), hệ thống ERP và các nền tảng phân tích dữ liệu.
HMI cũng cung cấp giao diện số hóa trực quan cho việc kiểm soát và giám sát các quy trình đã được số hóa, trở thành cửa sổ nhìn vào hoạt động của nhà máy thông minh HMI. Việc này thúc đẩy tối ưu hóa vận hành HMI dựa trên dữ liệu và các chuỗi tự động hóa tiên tiến, hướng tới mô hình sản xuất không người vận hành hoặc được hỗ trợ tối đa bởi công nghệ.
6. Kết luận
Tự động hóa các thao tác thủ công qua HMI là một bước tiến quan trọng và không thể thiếu trong sản xuất công nghiệp hiện đại, mang lại những lợi ích đáng kể về hiệu quả, chất lượng và an toàn. Bằng cách biến các lệnh phức tạp thành các thao tác đơn giản, trực quan trên màn hình cảm ứng, HMI không chỉ giảm lỗi người vận hành HMI mà còn tăng hiệu quả HMI, giảm thời gian chu kỳ HMI, và cải thiện an toàn HMI cho nhân viên. Việc lập trình HMI cho tự động hóa và tích hợp HMI và PLC là chìa khóa để hiện thực hóa các quy trình sản xuất tự động này, tạo nền tảng vững chắc cho một hoạt động sản xuất hiệu quả hơn. Với khả năng trực quan hóa, điều khiển tập trung và thu thập dữ liệu tự động, HMI đóng vai trò không thể thiếu trong việc thúc đẩy chuyển đổi số HMI và xây dựng một nhà máy thông minh HMI thực sự.
