Khóa liên động dựa trên HMI: Nâng cao an toàn và hiệu quả vận hành trong sản xuất công nghiệp

Khóa liên động là cơ chế an toàn cốt lõi, ngăn chặn các thao tác nguy hiểm bằng cách đảm bảo trình tự hoạt động chính xác của máy móc và thiết bị. Khóa liên động truyền thống thường dựa vào phần cứng vật lý, nhưng với sự phát triển mạnh mẽ của HMI thành trung tâm điều khiển và giám sát, khả năng tích hợp các chức năng khóa liên động dựa trên HMI ngày càng trở nên phổ biến. Việc này mang lại sự linh hoạt và khả năng hiển thị thông tin trực quan, tuy nhiên, triển khai không đúng cách có thể tạo ra những lỗ hổng nghiêm trọng, đặc biệt liên quan đến rủi ro khóa liên động phần mềm và việc duy trì mức độ an toàn tương đương với các giải pháp phần cứng truyền thống. Bài viết này sẽ phân tích chi tiết khái niệm khóa liên động dựa trên HMI, vai trò và lợi ích của nó trong sản xuất.

1. Khóa liên động dựa trên HMI: Khái niệm và vai trò

Khóa liên động dựa trên HMI là một cơ chế an toàn được thực hiện thông qua giao diện người-máy, nhằm đảm bảo các điều kiện vận hành an toàn trước khi cho phép một thao tác nhất định, từ đó tăng cường an toàn và kiểm soát quy trình.

1.1. Định nghĩa Khóa liên động dựa trên HMI

Khóa liên động dựa trên HMI được định nghĩa là một chức năng an toàn được lập trình và hiển thị trực tiếp trên giao diện người-máy. Nó là một chức năng an toàn được lập trình trong phần mềm HMI hoặc PLC có liên quan, và được hiển thị trên giao diện HMI để người vận hành tương tác.

Chức năng này ngăn chặn người vận hành thực hiện một hành động (ví dụ: mở cửa bảo vệ, khởi động máy, thay đổi cài đặt quan trọng) cho đến khi các điều kiện an toàn cụ thể được đáp ứng và xác nhận bởi hệ thống. Nó thường hoạt động như một lớp bảo vệ bổ sung hoặc hỗ trợ cho các khóa liên động phần cứng cốt lõi, không thay thế chúng. Ví dụ điển hình là khi HMI hiển thị thông báo “Cửa bảo vệ chưa đóng” và đồng thời vô hiệu hóa nút “Khởi động máy” cho đến khi tín hiệu từ cảm biến cửa đóng được xác nhận bởi PLC an toàn.

1.2. Vai trò và lợi ích trong sản xuất

Khóa liên động dựa trên HMI đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường an toàn, nâng cao nhận thức, và cung cấp sự linh hoạt trong kiểm soát quy trình sản xuất.

Nó tăng cường an toàn bằng cách giảm thiểu lỗi của người vận hành, ngăn chặn các thao tác sai trình tự hoặc nguy hiểm có thể dẫn đến tai nạn. Khóa liên động HMI nâng cao nhận thức của người vận hành bằng cách cung cấp thông tin trực quan rõ ràng về lý do một thao tác bị khóa, giúp họ hiểu rõ hơn về trạng thái an toàn hiện tại của hệ thống.

Đồng thời, nó mang lại sự linh hoạt trong cấu hình, cho phép dễ dàng thay đổi hoặc cập nhật logic khóa liên động thông qua phần mềm (với kiểm soát truy cập và xác minh chặt chẽ), thay vì phải thay đổi phần cứng. Mặc dù không phải là mục đích chính, nó có thể giảm chi phí phần cứng một phần bằng cách thay thế một số nút vật lý hoặc công tắc trong các trường hợp không yêu cầu cấp độ an toàn cao nhất.

Cuối cùng, nó hỗ trợ quy trình vận hành an toàn, hướng dẫn người vận hành thực hiện đúng trình tự các bước, đặc biệt quan trọng trong các quy trình phức tạp, góp phần vào điều khiển an toàn HMI hiệu quả.

2. Các loại khóa liên động và ứng dụng trên HMI

Các loại khóa liên động phổ biến, từ an toàn vật lý đến vận hành, có thể được hiển thị và quản lý hiệu quả trên HMI, cung cấp cái nhìn tổng quan và khả năng tương tác để duy trì an toàn và hiệu suất của máy móc.

Dưới đây là bảng tổng hợp các loại khóa liên động và ứng dụng của chúng trên HMI:

Loại khóa liên động	Mô tả chính	Ứng dụng trên HMI	Lưu ý chính
Khóa liên động an toàn	Ngăn chặn hoạt động máy khi có điều kiện nguy hiểm (cửa mở, cảm biến kích hoạt).	Hiển thị trạng thái thiết bị an toàn, giải thích lý do khóa, hướng dẫn khắc phục.	Chức năng chính phải ở phần cứng và PLC an toàn, HMI chỉ hiển thị.
Khóa liên động quy trình/vận hành	Đảm bảo trình tự vận hành chính xác, ngăn thao tác sai trình tự.	Vô hiệu hóa nút điều khiển không hợp lệ, giải thích lý do, hướng dẫn trình tự các bước.	Thường được thực hiện ở PLC tiêu chuẩn, HMI có vai trò trực tiếp hơn trong hiển thị và kiểm soát.
Khóa liên động bảo trì/chế độ	Đảm bảo máy hoạt động trong chế độ an toàn cụ thể (sản xuất, bảo trì).	Cho phép lựa chọn chế độ, hiển thị trạng thái chế độ và hạn chế, yêu cầu xác nhận/quyền truy cập đặc biệt.	Hỗ trợ quy trình vận hành an toàn, yêu cầu Quyền truy cập HMI chặt chẽ.

2.1. Khóa liên động an toàn (Safety Interlocks)

Khóa liên động an toàn là các cơ chế thiết yếu ngăn chặn hoặc dừng hoạt động của máy nếu một điều kiện nguy hiểm tồn tại, và HMI đóng vai trò hiển thị trạng thái và hướng dẫn liên quan.

Các khóa liên động an toàn là các cơ chế an toàn cốt lõi, chúng ngăn chặn hoặc dừng hoạt động của máy nếu một điều kiện nguy hiểm tồn tại (ví dụ: cửa bảo vệ mở, có người trong vùng nguy hiểm, hoặc một thiết bị an toàn bị kích hoạt).

Ứng dụng của HMI đối với khóa liên động an toàn bao gồm việc hiển thị trạng thái của các thiết bị an toàn (ví dụ: “Cửa đang mở”, “Cảm biến hàng rào bị kích hoạt”) gây ra khóa liên động. HMI cũng cung cấp thông báo rõ ràng về lý do máy bị khóa hoặc không thể khởi động, giúp người vận hành hiểu vấn đề. Ngoài ra, HMI có thể hiển thị hướng dẫn các bước để loại bỏ điều kiện nguy hiểm và khôi phục hoạt động một cách an toàn.

Lưu ý quan trọng là chức năng chính của khóa liên động an toàn PHẢI được thực hiện ở cấp độ phần cứng và PLC an toàn, HMI chỉ là giao diện hiển thị và hỗ trợ, không chịu trách nhiệm thực thi chức năng an toàn cốt lõi.

2.2. Khóa liên động quy trình/vận hành (Process/Operational Interlocks)

Khóa liên động quy trình/vận hành đảm bảo trình tự vận hành chính xác của quy trình, và HMI có vai trò trực tiếp trong việc vô hiệu hóa các nút điều khiển không hợp lệ và giải thích lý do. Các khóa liên động quy trình/vận hành là các cơ chế đảm bảo trình tự vận hành chính xác của quy trình (ví dụ: không thể mở van xả nếu áp suất chưa giảm, không thể khởi động bơm nếu bể chứa không đủ nước).

Ứng dụng của HMI bao gồm việc vô hiệu hóa các nút điều khiển hoặc chức năng không hợp lệ, chúng bị làm mờ, ẩn đi hoặc không phản hồi trên giao diện HMI. HMI cũng giải thích lý do tại sao một hành động không thể thực hiện thông qua các thông báo rõ ràng (ví dụ: “Van X không thể mở: Áp suất quá cao”).

Hơn nữa, HMI có thể hướng dẫn người vận hành các bước tiếp theo cần thực hiện để hoàn thành quy trình một cách chính xác. Đặc điểm của loại khóa liên động này là chúng thường được thực hiện ở PLC tiêu chuẩn, và HMI có vai trò trực tiếp hơn trong việc hiển thị và kiểm soát, đóng góp vào quy trình vận hành an toàn.

2.3. Khóa liên động bảo trì/chế độ vận hành (Maintenance/Mode Interlocks)

Khóa liên động bảo trì/chế độ vận hành đảm bảo rằng máy chỉ hoạt động trong một số chế độ nhất định hoặc trong điều kiện bảo trì an toàn, với HMI cung cấp giao diện để lựa chọn và hiển thị trạng thái. Các khóa liên động bảo trì/chế độ vận hành là các cơ chế đảm bảo rằng máy chỉ hoạt động trong một số chế độ nhất định hoặc trong điều kiện bảo trì an toàn, ngăn ngừa các thao tác không phù hợp với chế độ đã chọn.

Ứng dụng của HMI bao gồm việc cho phép người vận hành lựa chọn chế độ vận hành (sản xuất, thiết lập, bảo trì) thông qua giao diện, với các khóa liên động liên quan được kích hoạt tự động theo chế độ. HMI cũng hiển thị rõ ràng trạng thái chế độ đang hoạt động và các hạn chế liên quan đến chế độ đó. Ngoài ra, việc chuyển đổi chế độ có thể yêu cầu xác nhận hoặc quyền truy cập đặc biệt (Quyền truy cập HMI) để đảm bảo chỉ những người có thẩm quyền mới có thể thực hiện, góp phần vào điều khiển an toàn HMI.

3. Nguyên tắc thiết kế và kiến trúc hệ thống cho khóa liên động dựa trên HMI an toàn

Để đảm bảo khóa liên động dựa trên HMI đạt được mức độ an toàn mong muốn, cần tuân thủ các nguyên tắc thiết kế nghiêm ngặt và kiến trúc hệ thống rõ ràng, tách biệt logic an toàn khỏi giao diện để tránh rủi ro.

3.1. Tách biệt logic an toàn và logic HMI

Nguyên tắc quan trọng nhất là tách biệt hoàn toàn logic an toàn khỏi logic HMI để đảm bảo an toàn chức năng. Tất cả các chức năng khóa liên động liên quan đến an toàn chức năng (SIL, PL) phải được lập trình và thực thi trong PLC an toàn chuyên dụng, độc lập và tách rời khỏi HMI và PLC điều khiển tiêu chuẩn.

HMI chỉ nên có vai trò là giao diện hiển thị trạng thái của các khóa liên động và cung cấp giao diện để người vận hành tương tác với các chức năng đã được Safety PLC kiểm soát và phê duyệt. Tuyệt đối không tin cậy HMI cho an toàn cốt lõi; logic phần mềm trên HMI không bao giờ được sử dụng để thực hiện các chức năng an toàn cốt lõi có thể gây nguy hiểm trực tiếp.

3.2. Đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu và thông tin hiển thị

Việc đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu và thông tin hiển thị trên HMI là tối quan trọng để tránh thông tin sai lệch có thể dẫn đến rủi ro an toàn. Dữ liệu trạng thái khóa liên động từ PLC an toàn phải được truyền đến HMI thông qua các kênh truyền thông đáng tin cậy, có kiểm tra lỗi để phát hiện và ngăn chặn sai sót.

Cần có quy trình xác minh thông tin để đảm bảo dữ liệu hiển thị trên HMI phản ánh chính xác trạng thái thực tế của khóa liên động trong PLC. Khi một khóa liên động đang hoạt động, HMI phải có phản hồi trực quan rõ ràng (ví dụ: nút bị vô hiệu hóa, màu sắc thay đổi, biểu tượng khóa) để người vận hành dễ dàng nhận biết.

3.3. Thiết kế giao diện người dùng (UI/UX) an toàn

Thiết kế giao diện người dùng (UI/UX) an toàn là yếu tố then chốt để tạo ra một giao diện trực quan, dễ hiểu, và giảm thiểu lỗi của người vận hành trong tương tác với khóa liên động. Cần sử dụng biểu tượng phổ quát, văn bản ngắn gọn, và màu sắc nhất quán để chỉ báo trạng thái khóa liên động một cách rõ ràng. Giao diện phải luôn cung cấp thông báo rõ ràng về lý do một chức năng bị khóa, giúp người vận hành hiểu nguyên nhân và cách khắc phục.

HMI có thể hiển thị các bước cần thiết để giải phóng khóa liên động an toàn (ví dụ: “Đóng cửa bảo vệ để tiếp tục”) một cách tuần tự. Đối với các thao tác quan trọng, hệ thống phải yêu cầu xác nhận khóa liên động từ người vận hành trước khi thực hiện hành động liên quan đến khóa, tránh thao tác vô ý.

3.4. Quản lý quyền truy cập HMI

Quản lý quyền truy cập HMI chặt chẽ là cần thiết để ngăn chặn các thay đổi trái phép có thể ảnh hưởng đến chức năng khóa liên động. Cần phân quyền chặt chẽ, chỉ những người có thẩm quyền mới được phép thay đổi các cài đặt liên quan đến khóa liên động (ví dụ: chế độ vận hành, bỏ qua tạm thời các khóa liên động quy trình).

Hệ thống phải yêu cầu xác thực người dùng bằng mật khẩu mạnh hoặc các phương pháp xác thực khác để truy cập các chức năng nhạy cảm. Cuối cùng, cần ghi nhật ký mọi thay đổi hoặc thao tác liên quan đến khóa liên động trên HMI, bao gồm thông tin về người thực hiện và thời gian, để phục vụ việc kiểm tra và truy vết.

4. Tiêu chuẩn an toàn và Khóa liên động dựa trên HMI

Việc triển khai khóa liên động dựa trên HMI phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn an toàn máy quốc tế để đảm bảo đạt được các cấp độ an toàn chức năng mong muốn và giảm thiểu rủi ro, cung cấp một khuôn khổ đáng tin cậy cho việc thiết kế và đánh giá.

4.1. IEC 61508

IEC 61508 là tiêu chuẩn nền tảng về an toàn chức năng, áp dụng cho các hệ thống liên quan đến an toàn điện, điện tử và điện tử lập trình, và định vị HMI là một hệ thống hỗ trợ chứ không phải thành phần an toàn cốt lõi. IEC 61508 mô tả các yêu cầu đối với việc thiết kế, cài đặt, vận hành và bảo trì các hệ thống E/E/PE liên quan đến an toàn để đạt được một Safety Integrity Level (SIL) cụ thể.

HMI không phải là thành phần an toàn theo IEC 61508; logic khóa liên động an toàn phải được thực hiện bởi các hệ thống con đáp ứng SIL yêu cầu. HMI chỉ có thể là giao diện hiển thị hoặc điều khiển (không an toàn) của các chức năng an toàn đã được thực hiện bởi phần cứng/phần mềm an toàn chuyên dụng, đảm bảo thông tin an toàn được hiển thị chính xác.

4.2. ISO 13849

ISO 13849 là tiêu chuẩn quan trọng xác định các yêu cầu thiết kế và đánh giá các bộ phận liên quan đến an toàn của hệ thống điều khiển máy móc, dựa trên Performance Level (PL), và hướng dẫn cách HMI có thể hỗ trợ các chức năng này. ISO 13849 mô tả cách thiết kế các bộ phận liên quan đến an toàn của hệ thống điều khiển để đạt được một Performance Level (PL) cụ thể, từ PLa đến PLe, tương ứng với mức độ giảm thiểu rủi ro.

Logic khóa liên động an toàn cần đạt PL yêu cầu phải được thực hiện bằng phần cứng hoặc phần mềm đạt chuẩn PL, không phải HMI. HMI có thể hiển thị trạng thái PL của hệ thống hoặc các thông tin liên quan đến khóa liên động, ví dụ như chỉ dẫn về trạng thái an toàn của máy, nhưng bản thân HMI không đóng góp vào PL của chức năng an toàn.

4.3. IEC 62061

IEC 62061 là tiêu chuẩn áp dụng IEC 61508 cụ thể cho máy móc, sử dụng khái niệm Safety Integrity Level (SIL) để đánh giá mức độ toàn vẹn an toàn của các chức năng an toàn, và có mối liên hệ gián tiếp với vai trò hiển thị của HMI. IEC 62061 xác định các yêu cầu về an toàn chức năng cho các hệ thống điều khiển điện, điện tử và điện tử lập trình của máy móc, sử dụng khái niệm Safety Integrity Level (SIL) từ SIL 1 đến SIL 3.

Tương tự như IEC 61508 và ISO 13849, HMI không được sử dụng làm phương tiện chính để thực thi chức năng an toàn đạt SIL. Mọi thông tin an toàn hiển thị trên HMI phải được truyền từ hệ thống đạt SIL và được hiển thị chính xác, không gây hiểu lầm.

4.4. Các tiêu chuẩn khác liên quan đến giao diện và an toàn

Ngoài các tiêu chuẩn cốt lõi, còn có các tiêu chuẩn khác hỗ trợ việc thiết kế HMI và các khía cạnh an toàn liên quan. ISA 101.01 (Human Machine Interfaces for Process Automation Systems) đưa ra các khuyến nghị về thiết kế HMI để nâng cao hiệu quả vận hành và giảm lỗi con người, gián tiếp hỗ trợ an toàn HMI.

ANSI B11.0 (Safety of Machinery – General Requirements and Risk Assessment) cung cấp hướng dẫn chung về đánh giá rủi ro và các biện pháp an toàn cho máy móc, bao gồm cả việc sử dụng khóa liên động và vai trò của giao diện trong việc truyền tải thông tin an toàn.

5. Thách thức và giải pháp khi triển khai Khóa liên động dựa trên HMI

Việc triển khai khóa liên động dựa trên HMI đối mặt với các thách thức đáng kể về rủi ro khóa liên động phần mềm, bảo mật HMI và yếu tố con người, đòi hỏi các giải pháp toàn diện để đảm bảo an toàn tối ưu và hiệu quả.

5.1. Rủi ro khóa liên động phần mềm

Rủi ro khóa liên động phần mềm là một thách thức lớn, bởi lỗi hoặc can thiệp vào phần mềm HMI có thể ảnh hưởng đến chức năng an toàn. Lỗi phần mềm HMI là một nguy cơ thực tế; HMI có thể bị treo, đóng băng, hoặc hiển thị sai thông tin, dẫn đến việc bỏ qua hoặc thực thi sai khóa liên động.

Đường truyền dữ liệu không an toàn cũng là một mối lo ngại, khi dữ liệu từ PLC an toàn đến HMI có thể bị lỗi hoặc can thiệp, làm sai lệch trạng thái khóa liên động. Ngoài ra, nguy cơ thay đổi logic không được kiểm soát trên HMI mà không qua quy trình phê duyệt và xác minh nghiêm ngặt cũng tiềm ẩn rủi ro nghiêm trọng.

5.2. Bảo mật HMI

Bảo mật HMI là một thách thức không thể bỏ qua, vì các lỗ hổng bảo mật có thể dẫn đến việc truy cập trái phép và ảnh hưởng đến chức năng khóa liên động. Nguy cơ truy cập trái phép là cao; kẻ tấn công có thể truy cập HMI và vô hiệu hóa hoặc thay đổi các khóa liên động, gây nguy hiểm.

Phần mềm độc hại như virus hoặc ransomware có thể lây nhiễm HMI, ảnh hưởng đến khả năng vận hành và các chức năng an toàn. Cuối cùng, thiếu ghi nhật ký đầy đủ khiến việc truy vết các thao tác liên quan đến khóa liên động trở nên khó khăn, cản trở việc điều tra sự cố.

5.3. Yếu tố con người

Yếu tố con người đặt ra nhiều thách thức trong việc triển khai khóa liên động HMI, từ sự tin tưởng quá mức đến khả năng thao tác sai. Người vận hành có thể tin tưởng quá mức vào khóa liên động trên HMI mà bỏ qua các dấu hiệu nguy hiểm vật lý hoặc các cảnh báo khác từ môi trường. Giao diện phức tạp hoặc không trực quan có thể dẫn đến thao tác sai, vô tình bỏ qua khóa hoặc thực hiện hành động không mong muốn. Ngoài ra, người vận hành có thể cố tình bỏ qua khóa tạm thời (nếu hệ thống cho phép) mà không hiểu hết rủi ro hoặc hậu quả tiềm ẩn.

5.4. Giải pháp

Để khắc phục các thách thức trên, cần áp dụng các giải pháp toàn diện bao gồm thiết kế hệ thống phân cấp an toàn, tăng cường bảo mật, và đào tạo chuyên sâu.

Thiết kế hệ thống phân cấp an toàn: Luôn ưu tiên khóa liên động phần cứng và logic an toàn trên PLC an toàn là lớp bảo vệ cao nhất.

Xác thực và phân quyền người dùng chặt chẽ: Triển khai Quyền truy cập HMI theo vai trò, yêu cầu mật khẩu mạnh hoặc xác thực đa yếu tố cho các chức năng nhạy cảm liên quan đến khóa liên động.

Tăng cường bảo mật mạng HMI: Sử dụng các giao thức truyền thông an toàn, phân đoạn mạng và tường lửa để bảo vệ HMI khỏi các cuộc tấn công mạng.

Kiểm thử và xác minh nghiêm ngặt:

• Kiểm thử chức năng: Đảm bảo mọi chức năng khóa liên động trên HMI hoạt động đúng như thiết kế.
• Kiểm thử khả năng phục hồi lỗi: Đảm bảo HMI phản ứng đúng khi có lỗi phần mềm hoặc lỗi truyền thông, không làm suy giảm chức năng an toàn.
• Kiểm thử thâm nhập: Đánh giá khả năng chống lại các cuộc tấn công mạng nhằm vào HMI và các chức năng an toàn.

Thiết kế giao diện người dùng theo nguyên tắc an toàn (UI/UX):

• Phản hồi rõ ràng: Luôn cung cấp phản hồi rõ ràng (hình ảnh, âm thanh) khi khóa liên động được kích hoạt hoặc giải phóng.
• Giải thích lý do: Hiển thị thông báo giải thích lý do khóa liên động đang hoạt động để người vận hành hiểu rõ.
• Xác nhận khóa liên động: Yêu cầu người vận hành xác nhận các hành động liên quan đến khóa liên động quan trọng để tránh thao tác vô ý.

Đào tạo vận hành an toàn: Huấn luyện người vận hành về tầm quan trọng của khóa liên động, cách tương tác với chúng trên HMI, và quy trình vận hành an toàn trong mọi tình huống, bao gồm cả việc xử lý khi khóa liên động được kích hoạt.

6. Kết luận

Khóa liên động dựa trên HMI đại diện cho một bước tiến quan trọng trong việc tích hợp an toàn và điều khiển trong sản xuất công nghiệp, mang lại sự linh hoạt và thông tin chi tiết chưa từng có. Mặc dù không thể thay thế các giải pháp an toàn phần cứng cốt lõi, khi được thiết kế và triển khai đúng cách, khóa liên động dựa trên HMI sẽ tăng cường đáng kể an toàn HMI bằng cách hướng dẫn và ngăn chặn người vận hành thực hiện các thao tác không an toàn