Chức năng an toàn tích hợp (STO, SS1, SS2, SLS) của Động Cơ Servo

Chức năng an toàn tích hợp (STO, SS1, SS2, SLS) đại diện cho bước tiến đột phá trong tự động hóa công nghiệp, chuyển đổi cơ chế bảo vệ khỏi ngắt điện truyền thống sang các giải pháp an toàn chức năng thông minh được nhúng trực tiếp vào servo drive. Các hệ thống truyền động tốc độ cao hiện nay bắt buộc phải sử dụng các chức năng này để giảm thiểu rủi ro cho người vận hành, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất sản xuất bằng cách cho phép dừng máy có kiểm soát và linh hoạt. Bài viết chuyên sâu này sẽ phân tích chi tiết từng chức năng an toàn tích hợp (STO, SS1, SS2, SLS) về nguyên lý hoạt động, ứng dụng và mức độ bảo vệ đạt được (PLe/SIL3).

1. Vai Trò Của Chức Năng An Toàn Tích Hợp (STO, SS1, SS2, SLS) 

Sự phát triển của servo tốc độ cao và công suất lớn làm tăng đáng kể rủi ro an toàn trong môi trường sản xuất, đặc biệt khi máy móc vận hành gần con người trong các quy trình tự động hóa. Vì vậy, an toàn chức năng trở thành yêu cầu bắt buộc thay vì lựa chọn. Các phương pháp ngắt điện truyền thống gây dừng máy không kiểm soát, dễ làm hỏng cơ cấu truyền động và tốn thời gian khởi động lại, khiến chúng không còn phù hợp với hệ thống hiện đại. 

Hệ truyền động ngày nay cần cơ chế dừng an toàn, giữ trạng thái ổn định và cho phép tái khởi động nhanh khi hết nguy hiểm. Giải pháp tối ưu là áp dụng Safety Integrated, tích hợp các chức năng STO, SS1, SS2 và SLS ngay trong drive. Nhờ đó, drive có thể tự giám sát và phản ứng an toàn mà không cần bộ điều khiển ngoài, đồng thời đơn giản hóa hệ thống, tăng tốc độ phản hồi và đạt các mức bảo vệ cao như PLe hoặc SIL3.

2. Tổng Quan Về An Toàn Tích Hợp (Safety Integrated): Nền Tảng Cho STO, SS1, SS2, SLS 

2.1. Safety Integrated là gì?

Safety Integrated là một khái niệm kỹ thuật mô tả hệ thống an toàn chức năng được tích hợp trực tiếp vào phần cứng và phần mềm của bộ điều khiển truyền động (servo drive), thay vì dựa hoàn toàn vào các rơ-le an toàn ngoại vi phức tạp. Khái niệm này chuyển trách nhiệm giám sát và kích hoạt chức năng an toàn từ hệ thống điều khiển chung sang chính bộ servo drive, nơi nó có thể phản ứng nhanh hơn và kiểm soát chính xác hơn. Việc tích hợp Safety Integrated mang lại nhiều lợi ích vượt trội, nâng cao hiệu suất sản xuất và giảm chi phí lắp đặt, thể hiện rõ trong các điểm sau:

• Giảm dây dẫn: Hệ thống Safety Integrated giảm đáng kể số lượng dây dẫn cần thiết so với việc sử dụng rơ-le an toàn rời rạc, làm giảm nguy cơ lỗi kết nối và đơn giản hóa sơ đồ đấu nối.
• Giảm không gian tủ điện: Việc loại bỏ các mô-đun rơ-le an toàn lớn giúp tiết kiệm không gian quý giá trong tủ điện điều khiển, một yếu tố quan trọng trong các dây chuyền sản xuất có mật độ cao.
• Đơn giản hóa việc bảo trì: Chẩn đoán lỗi an toàn trở nên dễ dàng hơn vì thông tin trạng thái được truyền trực tiếp qua giao thức truyền thông fieldbus an toàn (ví dụ: EtherCAT Safety, PROFIsafe), giúp kỹ thuật viên xác định nguyên nhân sự cố nhanh chóng.
• Thời gian phản hồi nhanh hơn: Bộ điều khiển servo tích hợp sẵn khả năng xử lý an toàn có thể phản ứng với sự cố gần như ngay lập tức, đạt được thời gian dừng máy tối thiểu và giảm thiểu rủi ro cho người vận hành.

2.2. Các Tiêu Chuẩn An Toàn Bắt Buộc 

Các chức năng an toàn tích hợp của truyền động điện, bao gồm STO, SS1, SS2, và SLS, bắt buộc phải tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn quốc tế nghiêm ngặt để đảm bảo tính toàn vẹn và độ tin cậy của chúng. Tiêu chuẩn IEC 61800-5-2 là cốt lõi, xác định các yêu cầu kỹ thuật chi tiết đối với an toàn chức năng của các bộ truyền động điện (PDS – Power Drive Systems). Tiêu chuẩn này mô tả chính xác cách các chức năng an toàn như STO phải được thiết kế và kiểm tra với cấu trúc hai kênh độc lập, đảm bảo chúng không thất bại một cách nguy hiểm.

ISO 13849 (Performance Level – PL) đánh giá khả năng của các bộ phận liên quan đến an toàn trong việc thực hiện chức năng đã định trong điều kiện có thể xảy ra lỗi, tập trung vào các thông số như MTTFd (Mean Time To Dangerous Failure) và DC (Diagnostic Coverage). Mức cao nhất, PLe (Performance Level e), là yêu cầu chung cho hầu hết các ứng dụng servo trong công nghiệp nặng và robot, biểu thị xác suất hỏng hóc nguy hiểm cực kỳ thấp.

IEC 61508/62061 (Safety Integrity Level – SIL) định lượng mức độ tin cậy cần thiết để giảm thiểu rủi ro đến mức chấp nhận được. SIL3 (Safety Integrity Level 3) là mức toàn vẹn an toàn cao nhất thường đạt được bởi các servo drive tích hợp Safety Integrated, tương đương với PLe trong hầu hết các bối cảnh ứng dụng công nghiệp, đòi hỏi xác suất lỗi nguy hiểm (PFHd – Probability of Failure per Hour) phải nhỏ hơn 10^-7.

3. Các Chức Năng An Toàn Tích Hợp Cơ Bản (STO, SS1, SS2, SLS) 

3.1. STO – Safe Torque Off (Ngắt Mô-men Xoắn An Toàn) 

STO – Safe Torque Off là chức năng an toàn tích hợp cơ bản nhất, thực hiện việc ngắt nguồn cung cấp mô-men xoắn một cách an toàn cho động cơ, ngăn chặn khởi động không chủ ý. Về mặt kỹ thuật, nguyên lý hoạt động của STO là cắt tín hiệu kích hoạt công suất (power stage) của bộ điều khiển servo thông qua mạch an toàn có cấu trúc hai kênh độc lập và được giám sát chéo (Cross-Monitoring), đảm bảo rằng không có transistor công suất nào có thể hoạt động để tạo ra mô-men xoắn. 

STO đảm bảo rằng không có năng lượng nào có thể đi từ bộ drive đến động cơ, ngay cả khi hệ thống điều khiển chính (PLC) gặp lỗi. Ứng dụng thực tế chủ yếu của STO là phản ứng với nút dừng khẩn cấp (Emergency Stop) hoặc khi bảo vệ vật lý (như cửa an toàn hoặc rào chắn) bị mở. Tuy nhiên, một lưu ý quan trọng là STO không có chức năng hãm hoặc kiểm soát tốc độ; nó chỉ loại bỏ khả năng sinh mô-men xoắn, vì vậy, động cơ vẫn sẽ quay tự do theo quán tính cho đến khi dừng hẳn, điều này không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu dừng nhanh có kiểm soát.

3.2. SS1 – Safe Stop 1 (Dừng An Toàn 1) 

SS1 – Safe Stop 1 đảm bảo động cơ servo dừng có kiểm soát (quá trình giảm tốc an toàn) trong một khoảng thời gian T xác định, sau đó tự động chuyển sang trạng thái STO. Nguyên lý hoạt động của SS1 bao gồm hai giai đoạn rõ ràng: đầu tiên, bộ điều khiển servo sử dụng mô-men xoắn điện từ để hãm động cơ theo một đường cong giảm tốc an toàn có thể cấu hình được, đảm bảo động cơ dừng trong thời gian ngắn nhất có thể, chức năng này được giám sát bởi Safe Deceleration Monitoring (SDM). 

Giai đoạn thứ hai, sau khi thời gian trễ (T_delay) kết thúc và tốc độ đã đạt đến gần bằng 0, SS1 kích hoạt STO để loại bỏ mô-men xoắn vĩnh viễn, đảm bảo không có khởi động lại không mong muốn. SS1 được ứng dụng thực tế trên các máy cắt hoặc máy đóng gói tốc độ cao, nơi việc ngắt điện đột ngột có thể làm hỏng lưỡi cắt hoặc làm lệch sản phẩm; dừng có kiểm soát giúp giảm thiểu rủi ro trước khi ngắt nguồn hoàn toàn. Việc tính toán chính xác tham số thời gian trễ (T_delay) là rất quan trọng, vì nó xác định khoảng thời gian tối đa mà hệ thống phải dừng, và phải được thiết lập dựa trên kết quả đánh giá rủi ro của máy móc và quán tính hệ thống.

Các bước thực hiện của chức năng an toàn tích hợp SS1:

• Kích hoạt: Yêu cầu dừng an toàn được kích hoạt (ví dụ: nhấn nút dừng).
• Hãm có Kiểm soát: Bộ điều khiển servo sử dụng chức năng điều khiển để giảm tốc theo đường dốc cài đặt (SDM).
• Giám sát Tốc độ: Hệ thống an toàn giám sát tốc độ để đảm bảo động cơ giảm tốc đúng yêu cầu.
• Chuyển đổi sang STO: Sau khi tốc độ bằng 0 (hoặc sau khi thời gian trễ T hết), STO được kích hoạt để loại bỏ mô-men xoắn.

3.3. SS2 – Safe Stop 2 (Dừng An Toàn 2) 

SS2 – Safe Stop 2 cung cấp mức độ an toàn cao hơn SS1 bằng cách đảm bảo động cơ dừng có kiểm soát (giảm tốc), sau đó chuyển sang trạng thái SOS (Safe Operating Stop – Dừng Vận Hành An Toàn), và duy trì giám sát vị trí liên tục. Nguyên lý hoạt động của SS2 tương tự như SS1 ở giai đoạn giảm tốc ban đầu, sử dụng mô-men xoắn để đưa động cơ về trạng thái dừng. Tuy nhiên, điểm khác biệt then chốt là thay vì kích hoạt STO và ngắt mô-men, SS2 duy trì năng lượng trong động cơ để giữ vị trí hiện tại (SOS), đồng thời kích hoạt chức năng giám sát vị trí an toàn (Safe Position Monitoring – SPM). 

SS2 được ứng dụng thực tế lý tưởng cho cánh tay robot hoặc các trục đứng cần giữ tải nặng sau khi dừng khẩn cấp, đảm bảo tải không bị trượt hoặc rơi. So sánh với SS1, SS2 an toàn hơn đáng kể vì nó liên tục giám sát sự sai lệch vị trí sau khi dừng; nếu động cơ di chuyển quá một ngưỡng cho phép (thường là do lỗi phanh cơ hoặc lực tác động bên ngoài), hệ thống sẽ ngay lập tức kích hoạt STO để đảm bảo an toàn tuyệt đối, ngăn chặn bất kỳ chuyển động ngoài ý muốn nào. Để thực hiện SPM, bộ điều khiển servo bắt buộc phải sử dụng encoder an toàn có chứng nhận (Safe Encoder).

3.4. SLS – Safely Limited Speed (Giới Hạn Tốc Độ An Toàn) 

SLS – Safely Limited Speed là một chức năng an toàn tích hợp linh hoạt, giới hạn tốc độ vận hành của động cơ ở một mức an toàn tối đa (Vmax) đã được xác định trước, cho phép máy móc vẫn hoạt động nhưng với rủi ro giảm thiểu. SLS hoạt động bằng cách liên tục giám sát tốc độ động cơ thông qua các kênh an toàn độc lập; nếu tốc độ vượt quá ngưỡng Vmax đã cài đặt, hệ thống sẽ kích hoạt dừng an toàn (SS1 hoặc SS2 tùy cấu hình). Ứng dụng thực tế quan trọng nhất của SLS là trong chế độ thiết lập, bảo trì, hoặc kiểm tra máy móc, cho phép người vận hành can thiệp vào khu vực nguy hiểm khi máy vẫn đang chạy ở tốc độ chậm an toàn. Lợi ích sản xuất của SLS là tối ưu hóa thời gian dừng máy, vì nó cho phép thực hiện các thao tác căn chỉnh hoặc kiểm tra mà không cần tắt máy hoàn toàn (Zero Energy State), từ đó tăng hiệu quả sản xuất và giảm thiểu thời gian khởi động lại toàn bộ dây chuyền.

SLS thường được sử dụng cùng với các chức năng giám sát chuyển động an toàn khác, bao gồm:

• SLP (Safely Limited Position): Giới hạn vị trí tuyệt đối mà động cơ có thể đạt tới.
• SAR (Safe Acceleration Range): Giới hạn gia tốc tối đa để đảm bảo chuyển động không quá đột ngột.
• SBC (Safe Brake Control): Kiểm soát phanh cơ an toàn để dừng tải khi STO được kích hoạt.
• SDI (Safe Direction Indication): Đảm bảo động cơ chỉ quay theo một hướng an toàn được định trước.

4. Quy Trình Lựa Chọn và Triển Khai Chức Năng An Toàn (STO, SS1, SS2, SLS) 

4.1. Quy trình Đánh giá Rủi ro (Risk Assessment)

Quy trình Đánh giá Rủi ro (Risk Assessment) là bước bắt buộc đầu tiên trong việc lựa chọn và triển khai chức năng an toàn tích hợp, đảm bảo rằng mức độ bảo vệ được chọn phù hợp với rủi ro thực tế của máy móc. 

Đánh giá rủi ro này phải được thực hiện theo các tiêu chuẩn quốc tế như ISO 12100 và ISO 13849-1, nhằm xác định các mối nguy tiềm ẩn, ước tính mức độ nghiêm trọng và tần suất xảy ra. Quy trình này sử dụng ba tham số chính (S, F, P) để xác định Performance Level (PL) hoặc Safety Integrity Level (SIL) cần thiết cho hệ thống an toàn.

Kết quả đánh giá rủi ro sẽ chỉ định mức PL yêu cầu (a, b, c, d, e). Các chức năng an toàn tích hợp (STO, SS1, SS2, SLS) được thiết kế để đáp ứng mức PLe/SIL3, tức là mức bảo vệ cao nhất, đảm bảo tính tuân thủ pháp lý.

4.2. Cấu hình và Lập trình

Việc cấu hình và lập trình các chức năng an toàn tích hợp được thực hiện chủ yếu trong phần mềm chuyên dụng của bộ điều khiển servo, mang lại lợi thế về tính chính xác và tích hợp cao. Bộ điều khiển servo hiện đại sử dụng các công cụ phần mềm để thiết lập các thông số an toàn như thời gian giảm tốc an toàn, ngưỡng tốc độ (Vmax cho SLS), và các kênh đầu vào/đầu ra an toàn.

Lập trình các hàm logic an toàn thường được thực hiện thông qua Safe PLC (hoặc Safety CPU), giao tiếp với servo drive bằng các giao thức an toàn tiêu chuẩn:

• PROFIsafe: Tiêu chuẩn an toàn trên PROFIBUS/PROFINET, được sử dụng rộng rãi bởi các nhà sản xuất lớn (ví dụ: Siemens).
• FSoE (Functional Safety over EtherCAT): Giao thức an toàn trên EtherCAT, nổi bật với tốc độ phản hồi cực nhanh, phù hợp cho các hệ thống servo hiệu suất cao.

Quá trình cấu hình bao gồm định nghĩa tham số giảm tốc an toàn cho SS1 và SS2, thiết lập ngưỡng tốc độ an toàn Vmax cho SLS, và cuối cùng là xác nhận và chứng nhận các thông số đã cài đặt (validation process) để đảm bảo hệ thống đáp ứng PLe hoặc SIL3. Việc tích hợp qua giao thức fieldbus an toàn giúp giảm thiểu chi phí phần cứng ngoại vi và thời gian dừng máy do lỗi dây dẫn truyền thống, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất tổng thể.

5. Kết Luận

Chức năng an toàn tích hợp (STO, SS1, SS2, SLS) là yếu tố then chốt giúp các động cơ servo hoạt động với an toàn chức năng và hiệu suất cao nhất. STO (Ngắt Mô-men) là cơ chế cơ bản, trong khi SS1 (Dừng An toàn 1), SS2 (Dừng An toàn 2), và SLS (Giới Hạn Tốc độ) cung cấp các giải pháp kiểm soát chuyển động tinh vi, đạt chuẩn PLe/SIL3. Việc sử dụng các chức năng an toàn tích hợp này không chỉ là tuân thủ tiêu chuẩn bắt buộc mà còn là chiến lược tối ưu hóa vận hành trong sản xuất công nghiệp.