Hệ Thống Dừng Khẩn Cấp: Lá Chắn Cuối Cùng Cho An Toàn Cánh Tay Robot Công Nghiệp

Cánh tay robot trong sản xuất công nghiệp hiện đại đã trở thành xương sống của nhiều dây chuyền sản xuất, mang lại hiệu quả vượt trội, độ chính xác cao và khả năng làm việc liên tục. Tuy nhiên, với sức mạnh và tốc độ của chúng, robot cũng tiềm ẩn những rủi ro đáng kể đối với con người nếu không được kiểm soát chặt chẽ. Tai nạn do va chạm, kẹt hoặc các sự cố không lường trước có thể gây ra thương tích nghiêm trọng.

Do đó, việc triển khai các thiết bị an toàn là bắt buộc, và trong số đó, hệ thống dừng khẩn cấp (emergency stop system) nổi lên như một lá chắn cuối cùng, có khả năng ngăn chặn hoặc giảm thiểu tối đa hậu quả khi các biện pháp an toàn khác không đủ hoặc bị lỗi.

Bài viết này sẽ đi sâu vào khái niệm và mục đích của E-stop, phân tích tầm quan trọng tuyệt đối của nó trong an toàn robot, khám phá nguyên lý hoạt động và các loại dừng khẩn cấp, đồng thời cung cấp hướng dẫn về thiết kế, triển khai, kiểm tra và bảo trì một hệ thống dừng khẩn cấp hiệu quả, nhằm đảm bảo môi trường làm việc an toàn tối đa cho mọi nhân viên.

1. Khái Niệm Và Mục Đích Của Hệ Thống Dừng Khẩn Cấp

Hệ thống dừng khẩn cấp (Emergency Stop System) là một chức năng an toàn thiết yếu, được thiết kế để dừng hoạt động nguy hiểm của máy móc, đặc biệt là cánh tay robot, một cách nhanh chóng nhất có thể trong tình huống khẩn cấp. E-stop khác biệt hoàn toàn so với các chức năng dừng hoạt động bình thường hoặc dừng điều khiển, bởi vì nó được kích hoạt chỉ khi có nguy hiểm tức thời và cần phải đưa máy về trạng thái an toàn khẩn cấp, không quan tâm đến chu trình làm việc.

1.1. Hệ thống dừng khẩn cấp (Emergency Stop System) là gì?

Hệ thống dừng khẩn cấp được định nghĩa là một chức năng an toàn thiết yếu, được thiết kế để dừng hoạt động nguy hiểm của máy móc, đặc biệt là cánh tay robot, một cách nhanh chóng nhất có thể trong tình huống khẩn cấp. Mục đích chính của nó không phải là dừng có kiểm soát hay dừng theo chương trình, mà là để can thiệp tức thì nhằm ngăn chặn hoặc giảm thiểu thương tích cho con người và hư hại thiết bị.

1.2. Mục đích chính của E-stop

Mục đích chính của việc triển khai E-stop trong môi trường robot là:

• Ngăn chặn hoặc giảm thiểu thương tích cho con người: Đây là ưu tiên hàng đầu. Khi một mối nguy hiểm phát sinh đột ngột (ví dụ: người đi vào vùng nguy hiểm, robot di chuyển không kiểm soát), việc kích hoạt E-stop sẽ ngay lập tức cắt nguồn năng lượng, dừng chuyển động của robot, giúp tránh hoặc giảm nhẹ va chạm.
• Ngăn ngừa hư hại thiết bị hoặc sản phẩm: Trong một số trường hợp, sự cố của robot không chỉ đe dọa con người mà còn có thể gây hư hại nghiêm trọng cho chính robot, thiết bị ngoại vi hoặc sản phẩm đang được xử lý. E-stop giúp bảo vệ tài sản bằng cách dừng mọi hoạt động nguy hiểm.
• Đưa máy móc về trạng thái an toàn trong tình huống nguy hiểm không lường trước: E-stop cung cấp một phương tiện để đưa robot và hệ thống về trạng thái an toàn, ngay cả khi tình huống nguy hiểm không được dự đoán bởi các hệ thống điều khiển thông thường.

1.3. Các thành phần cơ bản của một hệ thống dừng khẩn cấp

Một hệ thống dừng khẩn cấp điển hình bao gồm ba thành phần cơ bản hoạt động đồng bộ để đảm bảo an toàn:

• Thiết bị kích hoạt: Đây là giao diện mà con người sử dụng để kích hoạt chức năng dừng khẩn cấp. Phổ biến nhất là nút nhấn dừng khẩn cấp hình nấm màu đỏ trên nền vàng, nhưng cũng có thể là dây kéo (ví dụ: xung quanh các khu vực dài), hoặc thanh chắn cảm ứng.
• Mạch an toàn: Đây là bộ não của hệ thống dừng khẩn cấp, thường bao gồm các rơ-le an toàn (safety relay) hoặc PLC an toàn (safety PLC). Mạch an toàn được thiết kế để có khả năng tự kiểm tra lỗi (self-monitoring) và chống lỗi (fault-tolerant), nghĩa là nó có thể phát hiện lỗi bên trong chính nó và vẫn duy trì chức năng an toàn hoặc chuyển sang trạng thái an toàn.
• Cơ cấu chấp hành: Đây là các thiết bị thực hiện việc dừng vật lý của robot. Trong hệ thống điện, đó là các công tắc tơ cắt nguồn điện đến động cơ robot; trong hệ thống thủy lực hoặc khí nén, đó là các van điều khiển cắt dòng chất lỏng hoặc khí nén.

2. Tầm Quan Trọng Tuyệt Đối Của E-stop Trong An Toàn Robot

E-stop đóng vai trò cực kỳ quan trọng, là một biện pháp an toàn không thể thiếu, đảm bảo mức độ bảo vệ cao nhất cho con người và thiết bị trong môi trường cánh tay robot trong sản xuất công nghiệp.

2.1. Là biện pháp an toàn cuối cùng

Hệ thống dừng khẩn cấp hoạt động như một biện pháp dự phòng quan trọng khi các biện pháp bảo vệ khác (như hàng rào an toàn, cảm biến an toàn hay các giới hạn lập trình) bị lỗi, bị bỏ qua, hoặc không đủ để xử lý tình huống nguy hiểm đột ngột. Nó cung cấp khả năng phản ứng tức thời với các tình huống nguy hiểm không lường trước hoặc những sự cố hiếm khi xảy ra, vốn không thể được dự đoán và ngăn chặn hoàn toàn bởi các hệ thống an toàn tự động.

2.2. Tuân thủ tiêu chuẩn an toàn quốc tế

Việc trang bị và triển khai hệ thống dừng khẩn cấp là một yêu cầu pháp lý và tiêu chuẩn bắt buộc trong hầu hết các quy định về an toàn máy móc trên toàn thế giới.

• ISO 10218-1 (Yêu cầu an toàn cho robot) và ISO 10218-2 (Yêu cầu an toàn cho hệ thống và tích hợp robot) đều quy định rõ ràng về sự cần thiết của chức năng dừng khẩn cấp cho robot và toàn bộ hệ thống robot.
• ISO 13850 (Nguyên tắc thiết kế cho chức năng dừng khẩn cấp) cung cấp các yêu cầu chi tiết về cách thiết kế, bố trí, và vận hành các thiết bị dừng khẩn cấp để đảm bảo hiệu quả và dễ sử dụng.

2.3. Giảm thiểu hậu quả tai nạn

Khi được kích hoạt, E-stop giúp dừng chuyển động của robot nhanh chóng nhất có thể, bất kể trạng thái hoạt động trước đó. Điều này trực tiếp giảm động năng của robot và các bộ phận chuyển động, từ đó hạn chế phạm vi và mức độ nghiêm trọng của chấn thương nếu xảy ra va chạm. Khả năng dừng tức thì này là yếu tố quyết định trong việc bảo toàn tính mạng và sức khỏe con người.

2.4. Tăng cường khả năng kiểm soát và an tâm cho người vận hành

Sự hiện diện của nút dừng khẩn cấp ở những vị trí dễ tiếp cận mang lại cho người lao động, người vận hành, và các kỹ thuật viên một công cụ quyền năng để phản ứng ngay lập tức khi họ phát hiện nguy hiểm. Khả năng chủ động này không chỉ tăng cường cảm giác kiểm soát mà còn nâng cao lòng tin của nhân viên vào sự an toàn của hệ thống robot, góp phần tạo nên một môi trường làm việc tích cực và hiệu quả hơn.

3. Nguyên Lý Hoạt Động Và Các Loại Dừng Khẩn Cấp

Việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động và các loại dừng khẩn cấp là rất quan trọng để thiết kế và triển khai một hệ thống dừng khẩn cấp hiệu quả và đáng tin cậy cho cánh tay robot.

3.1. Nguyên lý cơ bản

Nguyên lý cơ bản của một hệ thống dừng khẩn cấp là khi thiết bị kích hoạt (ví dụ: nút nhấn dừng khẩn cấp) được nhấn, nó sẽ gửi tín hiệu đến mạch an toàn. Mạch an toàn này sau đó sẽ ngay lập tức cắt nguồn năng lượng (điện, khí nén, thủy lực) đến các bộ truyền động của robot. Điều này buộc robot phải dừng chuyển động theo cách an toàn nhất, thường là sử dụng phanh cơ học hoặc hãm động lực. Mạch an toàn phải được thiết kế với các đặc tính tự kiểm tra lỗi (self-monitoring) và có khả năng chống lỗi (fault-tolerant) để đảm bảo rằng ngay cả khi có lỗi xảy ra trong chính mạch an toàn, chức năng dừng khẩn cấp vẫn được duy trì hoặc hệ thống sẽ chuyển sang trạng thái an toàn.

3.2. Các loại dừng khẩn cấp theo tiêu chuẩn (ISO 13850, IEC 60204-1)

Các tiêu chuẩn quốc tế như ISO 13850 và IEC 60204-1 phân loại các loại dừng khẩn cấp dựa trên cách thức robot dừng hoạt động:

• Dừng Khẩn Cấp Loại 0 (Stop Category 0): Đây là phương pháp dừng nhanh nhất và không kiểm soát. Khi được kích hoạt, nguồn điện cung cấp cho các bộ truyền động của robot sẽ bị cắt ngay lập tức, và phanh cơ học được áp dụng đồng thời. Robot dừng bằng cách trượt hoặc rơi tự do cho đến khi phanh giữ lại. Phương pháp này thường được áp dụng khi cần dừng nhanh nhất mà không quan tâm đến quỹ đạo dừng.
• Dừng Khẩn Cấp Loại 1 (Stop Category 1): Đây là một dạng dừng có kiểm soát. Khi kích hoạt E-stop, nguồn điện đến các bộ truyền động của robot vẫn được duy trì trong một thời gian ngắn để robot có thể dừng lại theo một quỹ đạo được kiểm soát (ví dụ: dừng theo đường thẳng, dừng ở vị trí cụ thể). Sau khi robot đã dừng hoàn toàn, nguồn điện sẽ bị cắt. Loại dừng này hữu ích khi việc dừng đột ngột có thể gây hư hại cho robot hoặc phôi.
• Dừng Khẩn Cấp Loại 2 (Stop Category 2): Đây cũng là một dạng dừng có kiểm soát, nhưng khác với Loại 1 ở chỗ nguồn điện vẫn được duy trì cho các bộ truyền động của robot ngay cả sau khi robot đã dừng hoàn toàn. Loại dừng này ít phổ biến hơn cho chức năng E-stop mà thường được sử dụng cho các chức năng dừng an toàn khác, nơi robot cần duy trì vị trí hoặc sẵn sàng khởi động lại nhanh chóng sau khi nguy hiểm đã được loại bỏ.

3.3. Mạch an toàn và các cấp độ hiệu suất

Để đảm bảo độ tin cậy của chức năng dừng khẩn cấp, các mạch an toàn được đánh giá theo các cấp độ hiệu suất.

• Sử dụng rơ-le an toàn (safety relay) hoặc PLC an toàn (safety PLC) là bắt buộc. Các thiết bị này được thiết kế với kiến trúc dự phòng (redundancy) và tự chẩn đoán lỗi để ngăn chặn các lỗi đơn lẻ làm mất chức năng an toàn.
• Độ tin cậy của chức năng dừng khẩn cấp được đánh giá bằng SIL (Safety Integrity Level) hoặc PL (Performance Level). SIL (từ 1 đến 4) và PL (từ ‘a’ đến ‘e’) là các chỉ số định lượng về khả năng một hệ thống an toàn thực hiện chức năng cần thiết khi có yêu cầu. Việc lựa chọn cấp độ SIL hoặc PL phù hợp cho E-stop được xác định thông qua quá trình đánh giá rủi ro chi tiết của hệ thống robot.

Loại Dừng Khẩn Cấp	Mô Tả	Nguồn Điện Bộ Chấp Hành Khi Dừng	Nguồn Điện Bộ Chấp Hành Sau Khi Dừng	Ứng Dụng Điển Hình
Loại 0	Dừng không kiểm soát, ngay lập tức.	Cắt ngay lập tức.	Cắt.	Cần dừng nhanh nhất có thể, bất chấp trạng thái máy.
Loại 1	Dừng có kiểm soát, sau đó cắt nguồn.	Duy trì cho đến khi dừng hoàn toàn.	Cắt.	Cần dừng theo quỹ đạo nhất định để tránh hư hại hoặc rơi phôi.
Loại 2	Dừng có kiểm soát, duy trì nguồn.	Duy trì.	Duy trì.	Thường cho dừng an toàn có kiểm soát khác, ít dùng cho E-stop thuần túy.

4. Thiết Kế Và Triển Khai Hệ Thống Dừng Khẩn Cấp Hiệu Quả

Để hệ thống dừng khẩn cấp thực sự trở thành một lá chắn an toàn đáng tin cậy cho cánh tay robot trong sản xuất công nghiệp, việc thiết kế và triển khai nó phải tuân thủ các nguyên tắc nghiêm ngặt về vị trí, cấu trúc mạch và quy trình hoạt động.

4.1. Vị trí đặt nút dừng khẩn cấp

Nút dừng khẩn cấp phải được đặt ở những vị trí chiến lược để đảm bảo dễ tiếp cận và có thể kích hoạt nhanh chóng trong mọi tình huống nguy hiểm. Điều này bao gồm:

• Dễ tiếp cận từ mọi hướng trong vùng làm việc của robot và các khu vực có nguy cơ cao (ví dụ: gần các điểm vào/ra, các trạm vận hành).
• Có đủ số lượng nút với khoảng cách hợp lý giữa chúng, đảm bảo không có “điểm mù” nào mà người lao động không thể với tới nút E-stop.
• Dễ nhận biết bằng mắt thường, thường là nút nhấn hình nấm màu đỏ nổi bật trên nền vàng, theo quy định của ISO 13850.

4.2. Yêu cầu về mạch an toàn

Mạch an toàn của hệ thống dừng khẩn cấp phải được thiết kế với độ tin cậy cực cao để đảm bảo rằng nó luôn hoạt động khi cần thiết:

• Phải độc lập hoàn toàn với hệ thống điều khiển thông thường của robot để tránh một lỗi trong hệ thống điều khiển thông thường làm ảnh hưởng đến chức năng an toàn.
• Thiết kế dự phòng (redundancy), ví dụ sử dụng hai kênh tín hiệu độc lập, để đảm bảo nếu một kênh bị lỗi, kênh còn lại vẫn có thể thực hiện chức năng dừng.
• Khả năng tự kiểm tra (self-monitoring) để phát hiện các lỗi bên trong mạch an toàn và thông báo cho người vận hành hoặc tự động chuyển sang trạng thái an toàn.
• Mạch an toàn phải đạt được cấp độ SIL (Safety Integrity Level) hoặc PL (Performance Level) yêu cầu đã được xác định từ đánh giá rủi ro của hệ thống robot.

4.3. Quy trình reset E-stop

Quy trình reset E-stop phải được thiết kế để ngăn ngừa việc khởi động lại robot một cách vô tình hoặc không an toàn:

• Hệ thống dừng khẩn cấp chỉ có thể được reset thủ công sau khi đã kiểm tra và xác nhận rằng mối nguy hiểm đã được loại bỏ và khu vực xung quanh robot an toàn.
• Robot không được tự động khởi động lại sau khi E-stop được reset. Cần có một hành động khởi động riêng biệt và có chủ ý từ người vận hành sau khi reset.

4.4. Đảm bảo toàn vẹn chức năng an toàn

Để đảm bảo hệ thống dừng khẩn cấp luôn hoạt động hiệu quả, các quy tắc sau phải được tuân thủ:

• Tuyệt đối không được bỏ qua (bypass) hoặc vô hiệu hóa chức năng dừng khẩn cấp dưới bất kỳ hình thức nào. Điều này là hành vi cực kỳ nguy hiểm và vi phạm các quy định an toàn.
• Hệ thống dừng khẩn cấp phải được tích hợp chặt chẽ với các hệ thống an toàn khác của robot, như khóa liên động của cổng an toàn, cảm biến an toàn (laser scanner, rèm sáng), để tạo thành một hệ thống bảo vệ nhiều lớp.

5. Kiểm Tra, Bảo Trì Và Đào Tạo

Việc kiểm tra định kỳ, bảo trì đúng cách và đào tạo nhân viên là các yếu tố then chốt để đảm bảo hệ thống dừng khẩn cấp luôn hoạt động hiệu quả và tin cậy trong suốt vòng đời của cánh tay robot trong sản xuất công nghiệp.

5.1. Kiểm tra định kỳ hệ thống dừng khẩn cấp

Hệ thống dừng khẩn cấp cần được kiểm tra thường xuyên để xác nhận chức năng hoạt động chính xác.

• Tần suất kiểm tra: Nên thực hiện kiểm tra hàng ngày hoặc hàng tuần đối với các ứng dụng có rủi ro cao, và ít nhất hàng tháng hoặc theo khuyến nghị của nhà sản xuất và kết quả đánh giá rủi ro.
• Kiểm tra chức năng: Mỗi nút dừng khẩn cấp trong hệ thống cần được nhấn và xác minh rằng robot dừng đúng cách. Các chỉ báo trạng thái của mạch an toàn cũng cần được kiểm tra.
• Ghi chép: Tất cả các kết quả kiểm tra phải được ghi chép lại đầy đủ, bao gồm ngày kiểm tra, người thực hiện, và bất kỳ vấn đề nào được phát hiện cùng với hành động khắc phục. Hồ sơ này rất quan trọng cho mục đích tuân thủ và phân tích sự cố.

5.2. Bảo trì và sửa chữa

Bảo trì phòng ngừa và sửa chữa kịp thời là yếu tố quyết định đến độ tin cậy của hệ thống dừng khẩn cấp.

• Bảo trì phòng ngừa: Thực hiện bảo trì theo lịch trình khuyến nghị của nhà sản xuất để kiểm tra các dấu hiệu hao mòn, ăn mòn hoặc hư hỏng của các thành phần trong hệ thống dừng khẩn cấp (nút nhấn, dây dẫn, rơ-le an toàn).
• Sửa chữa kịp thời: Bất kỳ lỗi hoặc hư hỏng nào phát hiện được trong quá trình kiểm tra hoặc vận hành phải được khắc phục ngay lập tức bởi nhân viên có chuyên môn.
• Linh kiện thay thế: Chỉ được sử dụng linh kiện thay thế chính hãng hoặc các linh kiện tương đương đã được chứng nhận về an toàn để đảm bảo rằng độ tin cậy và cấp độ an toàn của hệ thống không bị ảnh hưởng.

5.3. Đào tạo an toàn cho nhân viên

Yếu tố con người là cực kỳ quan trọng trong việc sử dụng hệ thống dừng khẩn cấp hiệu quả.

• Huấn luyện toàn diện: Tất cả nhân viên làm việc trực tiếp hoặc gần robot phải được huấn luyện về vị trí của tất cả các nút dừng khẩn cấp, cách thức kích hoạt chúng một cách chính xác, và quy trình phản ứng sau khi kích hoạt E-stop.
• Giải thích tầm quan trọng: Nhân viên cần hiểu rõ tầm quan trọng của chức năng dừng khẩn cấp như là tuyến phòng thủ cuối cùng và trách nhiệm của họ trong việc sử dụng nó khi cần thiết.
• Diễn tập tình huống khẩn cấp: Tổ chức các buổi diễn tập tình huống khẩn cấp định kỳ giúp nhân viên làm quen với quy trình và phản ứng một cách tự nhiên và chính xác khi đối mặt với một tình huống nguy hiểm thực sự.

6. Kết Luận

Hệ thống dừng khẩn cấp (emergency stop system) là một thành phần không thể thay thế, đóng vai trò như một lá chắn cuối cùng và then chốt trong việc bảo vệ con người và tài sản trong môi trường cánh tay robot trong sản xuất công nghiệp. Nó cung cấp một cơ chế can thiệp tức thời, có khả năng ngăn chặn hoặc giảm thiểu tối đa hậu quả của các sự cố nguy hiểm không lường trước. Việc thiết kế, triển khai và bảo trì E-stop theo đúng các tiêu chuẩn an toàn quốc tế như ISO 10218 và ISO 13850, cùng với một quy trình đánh giá rủi ro chuyên sâu, là điều kiện tiên quyết để đảm bảo độ tin cậy và hiệu quả của nó.

Bằng cách ưu tiên đầu tư vào hệ thống dừng khẩn cấp chất lượng cao, thực hiện kiểm tra thường xuyên và cung cấp đào tạo an toàn toàn diện cho nhân viên, các doanh nghiệp không chỉ tuân thủ quy định pháp luật mà còn xây dựng một văn hóa an toàn vững chắc. Điều này giúp nâng cao lòng tin của người lao động và thúc đẩy một môi trường sản xuất robot an toàn tuyệt đối, hiệu quả và bền vững.