Các tiêu chuẩn an toàn cho hệ thống servo (ví dụ: IEC 61800-5-2) – Chìa khóa Giảm thiểu rủi ro và Tối ưu Thời gian

Động cơ servo là xương sống của các hệ thống tự động hóa hiện đại, nhưng việc vận hành ở mô men xoắn lớn và tốc độ cao luôn tiềm ẩn rủi ro về an toàn và độ bền thiết bị. IEC 61800-5-2 vì thế trở thành tiêu chuẩn cốt lõi, quy định các yêu cầu thiết kế và chức năng an toàn bắt buộc cho hệ truyền động servo. Bài viết sẽ phân tích tiêu chuẩn này, mối liên hệ với IEC 61508 và ISO 13849, cùng các chức năng an toàn quan trọng như STO, SS1, SS2 và SLS, giúp doanh nghiệp giảm rủi ro, tối ưu vận hành và hạn chế thời gian dừng máy.

1. Tổng quan về Nhu cầu An toàn Servo trong Sản xuất công nghiệp 

1.1. Bản chất rủi ro từ Động cơ servo 

Động cơ servo nhờ khả năng kiểm soát động học tuyệt vời, lại mang trong mình nguy cơ chấn thương vật lý và hư hại thiết bị thông qua chuyển động bất ngờ (unexpected start-up) hoặc vượt quá tốc độ/mô-men xoắn không kiểm soát được. Trong các dây chuyền lắp ráp tự động, hệ thống đóng gói tốc độ cao, hay máy gia công CNC, các trục servo hoạt động cực kỳ nhanh và mạnh mẽ. 

Lỗi kỹ thuật, chẳng hạn như lỗi phần cứng bên trong Servo Drive hoặc lỗi giao tiếp trong mạng điều khiển, có thể dẫn đến mất kiểm soát vị trí hoặc tốc độ ngay lập tức, gây ra va chạm, kẹp, hoặc cắt cho người vận hành. Rủi ro vận hành này đòi hỏi phải có các hệ thống an toàn phản ứng tức thì, đủ Độ tin cậy để cô lập nguồn năng lượng, bảo vệ An toàn lao động và tránh gián đoạn Thời gian dừng máy kéo dài do hỏng hóc cơ khí nghiêm trọng.

1.2. Mục tiêu của Các tiêu chuẩn an toàn cho hệ thống servo 

Mục tiêu chính của các tiêu chuẩn này là gì? Mục tiêu cốt lõi của Các tiêu chuẩn an toàn cho hệ thống servo là Giảm thiểu rủi ro đến một mức độ chấp nhận được, thường được định nghĩa theo nguyên tắc ALARP (As Low As Reasonably Practicable). IEC 61800-5-2 và các tiêu chuẩn liên quan được thiết kế để buộc các nhà sản xuất phải tích hợp các tính năng tự chẩn đoán và phản ứng an toàn, đảm bảo rằng bất kỳ lỗi nào xảy ra trong hệ thống truyền động điện (PDS) cũng không dẫn đến tình huống nguy hiểm. 

Mục đích là để các phản ứng an toàn hoạt động tin cậy tuyệt đối khi phát hiện lỗi hoặc sự cố, ngay cả trong những điều kiện vận hành khắc nghiệt nhất. Sự kiểm soát tuyệt đối này bao gồm việc ngăn chặn Động cơ servo thực hiện bất kỳ hành động nguy hiểm nào trong trạng thái không an toàn, từ đó nâng cao Tuổi thọ của thiết bị và củng cố niềm tin vào hệ thống tự động hóa.

2. Phân tích Tiêu chuẩn An toàn Servo Cốt lõi: IEC 61800-5-2 

2.1. IEC 61800-5-2 là gì và Phạm vi áp dụng 

IEC 61800-5-2 là gì và nó áp dụng cho những phạm vi nào? IEC 61800-5-2 là một tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế chuyên biệt, cung cấp các yêu cầu chức năng và kỹ thuật chi tiết cho các hệ thống truyền động điện (PDS) có tích hợp Chức năng an toàn tích hợp (Integrated Safety Functions). Tiêu chuẩn này tập trung đặc biệt vào các thành phần điện tử công suất, cụ thể là Servo Drive và các mô-đun an toàn bên trong chúng, xác định cách thức thiết kế để đạt được các Mức độ toàn vẹn an toàn (SIL) hoặc Cấp hiệu suất (PL) theo yêu cầu. 

Phạm vi áp dụng của IEC 61800-5-2 bao trùm toàn bộ chuỗi an toàn, từ đầu vào tín hiệu an toàn, mạch logic an toàn trong Servo Drive, các thành phần công suất (IGBT), cho đến các thiết bị phản hồi (encoder) của Động cơ servo. Việc tuân thủ tiêu chuẩn này là cần thiết để nhà sản xuất có thể chứng minh rằng các chức năng an toàn như STO hay SLS đã được triển khai với Độ tin cậy và khả năng chống lỗi theo yêu cầu của ứng dụng cuối cùng.

2.2. Mối quan hệ với các tiêu chuẩn an toàn chức năng 

IEC 61800-5-2 có mối quan hệ như thế nào với các tiêu chuẩn an toàn chức năng khác? IEC 61800-5-2 không hoạt động đơn lẻ mà là một tiêu chuẩn chuyên biệt, dựa trên khuôn khổ an toàn chức năng cấp cao hơn, chủ yếu là IEC 61508 và ISO 13849. IEC 61508 được xem là “tiêu chuẩn mẹ” cho An toàn chức năng trên toàn thế giới, định nghĩa Mức độ toàn vẹn an toàn (SIL) và các yêu cầu quản lý vòng đời an toàn. 

IEC 61800-5-2 sử dụng các định nghĩa về SIL của IEC 61508 để áp dụng chúng vào môi trường hệ thống truyền động điện. Song song đó, ISO 13849 thiết lập các yêu cầu về Cấp hiệu suất (PL) (Performance Level) và kiến trúc kênh cho các bộ phận liên quan đến an toàn của hệ thống điều khiển máy móc. Do đó, một Servo Drive được chứng nhận IEC 61800-5-2 thường được đánh giá đồng thời theo cả SIL (dựa trên IEC 61508/62061) và PL (dựa trên ISO 13849), đảm bảo rằng thiết kế an toàn của nó đáp ứng các yêu cầu từ cả hai khía cạnh: toàn vẹn thống kê và cấu trúc kênh.

3. Các Chức năng an toàn tích hợp quan trọng theo IEC 61800-5-2 

3.1. Dừng An toàn Mô-men Xoắn (Safe Torque Off – STO) 

STO hoạt động như thế nào và tại sao nó là chức năng an toàn cơ bản nhất? STO (Safe Torque Off) là chức năng an toàn tích hợp được coi là cơ bản nhất và quan trọng nhất trong mọi hệ thống An toàn servo, với mục đích duy nhất là loại bỏ mô-men xoắn (Torque) khỏi Động cơ servo. Về mặt kỹ thuật, STO hoạt động bằng cách Ngắt điện hoàn toàn khối bán dẫn công suất (IGBT) bên trong Servo Drive, khiến động cơ không thể nhận được dòng điện điều khiển và do đó không thể sinh ra mô-men xoắn gây chuyển động.

Chức năng này được sử dụng trong các tình huống cần dừng khẩn cấp hoặc khi cần thực hiện thực hiện LOTO (Lockout/Tagout) cơ bản, ngăn chặn khởi động bất ngờ trong quá trình bảo trì. Vì STO chỉ cắt năng lượng điện tử và không giám sát bất kỳ quá trình dừng nào, nó thường dẫn đến một quá trình dừng không kiểm soát (coasting stop) của trục động cơ, và chỉ được áp dụng khi thời gian dừng không phải là yếu tố then chốt, hoặc khi tải đã được cố định bằng Phanh cơ.

3.2. Dừng An toàn (Safe Stop – SS1 và SS2) 

SS1 và SS2 khác nhau như thế nào trong việc kiểm soát quá trình dừng an toàn? Các chức năng Safe Stop (SS1 và SS2) được thiết kế để cung cấp một quá trình dừng có kiểm soát cho Động cơ servo, loại bỏ những rủi ro do quán tính gây ra trong các ứng dụng tải nặng.

• SS1 (Safe Stop 1): Yêu cầu Servo Drive phải giảm tốc độ của động cơ theo một đường dốc được giám sát (monitored ramp) cho đến khi đạt tốc độ zero. Sau khi thời gian trễ (T) thiết lập trước kết thúc, SS1 sẽ tự động kích hoạt chức năng STO, cắt mô-men xoắn hoàn toàn. SS1 là lựa chọn lý tưởng khi cần đảm bảo rằng chuyển động nguy hiểm đã được kiểm soát và dừng lại trong một khung thời gian cụ thể (Time-Dependent) trước khi loại bỏ mô-men xoắn.
• SS2 (Safe Stop 2): Cũng thực hiện quá trình dừng có kiểm soát tương tự như SS1, nhưng thay vì kích hoạt STO, SS2 sẽ chuyển sang chức năng Giám sát Tốc độ Zero An toàn (Safe Operating Stop – SOS). Điều này có nghĩa là động cơ được giữ ở vị trí zero vẫn còn mô-men xoắn (Torque-Controlled), sẵn sàng khởi động lại ngay lập tức. SS2 rất hữu ích khi Kỹ thuật viên cần can thiệp nhanh chóng và muốn Giảm Thời gian dừng máy tối đa, vì quá trình khởi động lại không cần Ngắt điện hoàn toàn và thiết lập lại hệ thống.

3.3. Tốc độ Giới hạn An toàn (Safe Limited Speed – SLS) 

SLS (Safe Limited Speed) là một Chức năng an toàn tích hợp mang tính chiến lược, cho phép Động cơ servo tiếp tục vận hành nhưng bị giới hạn nghiêm ngặt dưới một ngưỡng tốc độ tối đa an toàn đã được cấu hình trước. Thay vì buộc hệ thống phải dừng hoàn toàn, SLS cho phép Kỹ thuật viên thực hiện các công việc Căn chỉnh, lập trình lại, hoặc kiểm tra thủ công trong khu vực làm việc của máy. 

Chức năng này liên tục giám sát tốc độ thực tế của động cơ thông qua các bộ mã hóa an toàn (safe encoder), và sẽ kích hoạt chức năng dừng khẩn cấp (ví dụ: STO) nếu tốc độ vượt quá ngưỡng giới hạn đã đặt ra. Lợi ích then chốt của SLS là khả năng tăng năng suất và Giảm Thời gian dừng máy vì công việc bảo trì can thiệp (intervention maintenance) có thể được thực hiện một cách an toàn mà không cần phải tắt nguồn, khởi động lại và thiết lập lại toàn bộ máy móc .

3.4. Các Chức năng an toàn tích hợp khác 

Ngoài các chức năng dừng, IEC 61800-5-2 còn quy định những chức năng giám sát an toàn nào? IEC 61800-5-2 còn mô tả một loạt các Chức năng an toàn tích hợp phức tạp hơn, cần thiết cho các ứng dụng đòi hỏi cao về kiểm soát không gian và lực.

• SLP (Safe Limited Position): Đảm bảo trục Động cơ servo không bao giờ di chuyển vượt quá một phạm vi vị trí vật lý đã được xác định. Điều này ngăn chặn va chạm giữa robot với hàng rào an toàn hoặc giữa các bộ phận máy.
• SLA (Safe Limited Acceleration): Giám sát và giới hạn gia tốc của trục để tránh các chuyển động đột ngột hoặc quá nhanh có thể gây đổ vỡ tải hoặc mất ổn định cơ khí.
• SBC (Safe Brake Control): Chức năng này giám sát và kiểm soát Phanh cơ của động cơ (thường là phanh giữ). Nó đảm bảo rằng phanh luôn trong trạng thái sẵn sàng giữ tải an toàn, đặc biệt quan trọng cho các trục đứng (Z-axis) để tránh rơi tải khi STO được kích hoạt.
• SDI (Safe Direction Indication): Đảm bảo động cơ chỉ quay theo một hướng an toàn được xác định, ngăn ngừa sai sót trong quá trình Căn chỉnh thủ công.

Việc tích hợp đầy đủ các chức năng này vào Servo Drive tạo ra một lớp bảo vệ toàn diện, nâng cao tối đa Độ tin cậy và An toàn servo của toàn bộ hệ thống.

4. Thiết kế Hệ thống An toàn theo SIL và PL 

4.1. Phân biệt Mức độ toàn vẹn an toàn (SIL) và Cấp hiệu suất (PL) 

Làm thế nào để phân biệt Mức độ toàn vẹn an toàn (SIL) và Cấp hiệu suất (PL)? Mặc dù cả hai đều là thước đo cho Độ tin cậy của chức năng an toàn, Mức độ toàn vẹn an toàn (SIL) (Safety Integrity Level), được quy định trong IEC 61508, tập trung vào xác suất xảy ra lỗi nguy hiểm (Probability of Dangerous Failure – PFD) và khả năng duy trì mức độ an toàn của hệ thống. SIL được phân cấp từ SIL1 (thấp nhất) đến SIL4 (cao nhất), thể hiện mức độ Giảm thiểu rủi ro thống kê.

Ngược lại, Cấp hiệu suất (PL) (Performance Level), theo tiêu chuẩn ISO 13849, tập trung vào cấu trúc kênh, độ bao phủ chẩn đoán (Diagnostic Coverage – DC) và độ tin cậy của các linh kiện (MTTFd) của các bộ phận liên quan đến an toàn. PL được phân loại từ PLa đến PLe (cao nhất). Về bản chất, SIL là một yêu cầu định lượng về chức năng, trong khi PL là yêu cầu định tính và định lượng về kiến trúc và chất lượng linh kiện của hệ thống. IEC 61800-5-2 là cầu nối, cung cấp các yêu cầu kỹ thuật cụ thể để Servo Drive có thể đạt được một mức SIL hoặc PL nhất định.

4.2. Quy trình Đánh giá và Xác định Yêu cầu An toàn 

Quy trình đánh giá và xác định yêu cầu an toàn diễn ra như thế nào? Quy trình thiết kế an toàn là một quy trình có cấu trúc, bắt đầu bằng Đánh giá Rủi ro (Risk Assessment). Đầu tiên, Kỹ thuật viên hoặc chuyên gia an toàn phải phân tích tất cả các nguy cơ tiềm ẩn từ Động cơ servo và máy móc để xác định mức độ nghiêm trọng, tần suất phơi nhiễm và khả năng tránh né rủi ro.

Các thông số này được nhập vào một ma trận hoặc đồ thị rủi ro (Risk Graph) để xác định SIL hoặc PL cần thiết (Required PL – PLr) cho từng chức năng an toàn. Ví dụ, nếu nguy cơ nghiêm trọng, tốc độ cao và khả năng tránh né thấp, yêu cầu có thể là PLe hoặc SIL3.

Tiếp theo, dựa trên yêu cầu này, nhà thiết kế sẽ lựa chọn giải pháp an toàn (ví dụ: chức năng STO, SLS) và các thành phần đã được chứng nhận đạt SIL/PL tương ứng. Cuối cùng, hệ thống cần được Xác nhận (Validation), một quá trình kiểm tra và tài liệu hóa để chứng minh sự tuân thủ Tiêu chuẩn kỹ thuật và đạt được mức an toàn đã đặt ra, đảm bảo rằng Độ tin cậy của toàn bộ chuỗi an toàn được duy trì.

5. Lợi ích Chiến lược và Giảm thiểu rủi ro khi áp dụng IEC 61800-5-2 

5.1. Tối ưu hóa Hiệu suất vận hành và Giảm Thời gian dừng máy 

Việc áp dụng IEC 61800-5-2 tối ưu hóa Hiệu suất vận hành như thế nào? Lợi ích then chốt của việc tích hợp Chức năng an toàn tích hợp vào Servo Drive là khả năng tăng tính sẵn sàng (Availability) của máy móc. Các chức năng như SLS (Tốc độ Giới hạn An toàn) và SS2 (Dừng An toàn 2) cho phép các Kỹ thuật viên thực hiện các thao tác Căn chỉnh hoặc khắc phục sự cố cục bộ mà không cần phải Ngắt điện hoàn toàn và khởi động lại toàn bộ hệ thống. 

Bằng cách giảm thiểu nhu cầu tắt máy, thời gian cần thiết để khôi phục sản xuất sau một can thiệp an toàn có thể được rút ngắn đáng kể, trực tiếp Giảm Thời gian dừng máy ngoài kế hoạch. Điều này đặc biệt quan trọng trong các môi trường Sản xuất công nghiệp nhịp độ nhanh, nơi mà mỗi phút máy dừng đều gây thiệt hại về kinh tế, qua đó nâng cao Hiệu suất vận hành tổng thể của nhà máy (OEE).

5.2. Giảm thiểu rủi ro và Tăng An toàn lao động 

Lợi ích rõ rệt nhất về an toàn khi tuân thủ tiêu chuẩn này là gì? Lợi ích rõ ràng và quan trọng nhất của việc áp dụng IEC 61800-5-2 là khả năng Giảm thiểu rủi ro tai nạn lao động xuống mức thấp nhất và củng cố An toàn lao động. Hệ thống servo đạt chuẩn SIL/ PL cung cấp Độ tin cậy cao hơn nhiều so với việc chỉ dựa vào các relay an toàn cơ điện bên ngoài, vì các chức năng an toàn tích hợp được giám sát và tự chẩn đoán liên tục bên trong Servo Drive. 

Khả năng phản ứng tức thì của STO và SS1 trong các tình huống lỗi đảm bảo rằng nguồn năng lượng nguy hiểm (mô-men xoắn) được loại bỏ một cách dứt khoát. Việc này không chỉ bảo vệ sinh mạng người lao động mà còn bảo vệ Tuổi thọ của máy móc khỏi những hư hỏng do va chạm nghiêm trọng.

5.3. Tuân thủ Pháp luật và Tiêu chuẩn kỹ thuật Thị trường 

Việc tuân thủ IEC 61800-5-2 mang lại lợi ích pháp lý và thị trường nào? Trong bối cảnh toàn cầu hóa, việc tuân thủ IEC 61800-5-2 là chìa khóa để mở cửa các thị trường quốc tế, đặc biệt là các khu vực có luật an toàn nghiêm ngặt như Liên minh Châu Âu (EU) hoặc Bắc Mỹ. Các quốc gia này thường yêu cầu máy móc phải có chứng nhận an toàn chứng minh rằng các hệ thống điều khiển liên quan đến an toàn (SRP/CS) đạt PLd hoặc PLe. 

Bằng cách sử dụng các Servo Drive đã được chứng nhận IEC 61800-5-2, các nhà sản xuất máy có thể dễ dàng chứng minh sự tuân thủ pháp luật, tránh được các rào cản thương mại, lệnh cấm vận hành, hoặc các khoản phạt nặng. Điều này không chỉ là yếu tố tuân thủ mà còn là một lợi thế cạnh tranh, thể hiện cam kết của doanh nghiệp đối với Chất lượng sản xuất và Độ tin cậy của sản phẩm.

6. Kết luận 

Các tiêu chuẩn an toàn cho hệ thống servo, đặc biệt là IEC 61800-5-2, đang định hình cách thiết kế và vận hành hệ truyền động điện trong sản xuất công nghiệp. Việc tích hợp các chức năng an toàn như STO, SS1, SS2 và SLS giúp giảm rủi ro và nâng cao hiệu suất. Hiểu rõ SIL và PL cũng cho phép doanh nghiệp lựa chọn giải pháp an toàn phù hợp với từng ứng dụng. Để duy trì chất lượng và tính bền vững, các nhà máy cần ưu tiên áp dụng các tiêu chuẩn này nhằm bảo đảm độ tin cậy và an toàn tối đa cho động cơ servo.