Thiết kế Hệ thống An toàn cho Máy Móc Tích hợp Servo: Đạt Chuẩn PLe/SIL3 và Tối ưu hóa Năng suất

Thiết kế hệ thống an toàn cho máy móc sử dụng servo là yêu cầu bắt buộc do tốc độ cao, gia tốc tức thời và mô-men xoắn lớn tiềm ẩn rủi ro nghiêm trọng. Để đạt mức PLe/SIL3, các kỹ sư cần áp dụng Vòng đời An toàn, triển khai Safety Integrated và tính toán các chức năng như STO, SS1, SLS, vừa bảo vệ người vận hành vừa tối ưu hiệu suất sản xuất. Bài viết sẽ trình bày một quy trình chi tiết, từ việc xác định mức Performance Level Yêu cầu (PLr) theo ISO 13849, lựa chọn kiến trúc điều khiển Redundancy, đến việc tính toán Khoảng cách An toàn cho các chức năng an toàn tích hợp (STO, SS1, SLS), nhằm mục đích kép là bảo vệ người vận hành và tối ưu hóa hiệu suất sản xuất.

1. Nguyên tắc Cốt lõi của Thiết kế Hệ thống An toàn và Tiêu chuẩn Bắt buộc 

1.1. Khái niệm An toàn Chức năng và Vòng đời An toàn 

An toàn chức năng (Functional Safety) định nghĩa khả năng của một hệ thống, giúp giảm thiểu rủi ro thông qua các chức năng điều khiển tự động, đáp ứng lại các lỗi nội tại của hệ thống. Phạm vi áp dụng của An toàn chức năng mở rộng từ các cảm biến đầu vào (như Light Curtain) qua logic xử lý (như Safety PLC) đến các cơ cấu chấp hành đầu ra (như STO trong servo drive).

Kỹ sư thực hiện thiết kế hệ thống an toàn bằng cách tuân thủ Vòng đời An toàn (Safety Lifecycle), một chu trình quản lý rủi ro có cấu trúc, bao gồm các giai đoạn: phân tích rủi ro, thiết kế, triển khai, vận hành và bảo trì. Các biện pháp bảo vệ vật lý (như che chắn cố định) đóng vai trò ngăn chặn tiếp cận trực tiếp, nhưng biện pháp bảo vệ chức năng (Safety Integrated) mới là yếu tố quyết định, giúp máy móc tự phản ứng với các tình huống lỗi nguy hiểm.

1.2. Giới thiệu về Tiêu chuẩn Kỹ thuật Chính (ISO 13849 và IEC 61508) 

Các kỹ sư thiết kế hệ thống an toàn phải căn cứ vào hai tiêu chuẩn kỹ thuật chính là ISO 13849 và IEC 61508. ISO 13849 (Performance Level – PL) là tiêu chuẩn chính được áp dụng rộng rãi trong kỹ thuật cơ khí, xác định mức độ tin cậy (từ PLa đến PLe) của các bộ phận liên quan đến an toàn dựa trên kiến trúc và dữ liệu độ tin cậy. IEC 61508 (Safety Integrity Level – SIL) đóng vai trò tiêu chuẩn nền tảng, đặc biệt tập trung vào an toàn chức năng của các hệ thống điện, điện tử và lập trình (E/E/PES).

Việc tuân thủ tiêu chuẩn là bắt buộc khi thiết kế hệ thống an toàn cho máy móc trong sản xuất công nghiệp, đảm bảo rằng các giải pháp an toàn được chứng minh bằng khoa học và pháp lý, tránh được các vấn đề rủi ro và trách nhiệm pháp lý trong quá trình vận hành.2. Quy trình Thiết kế Hệ thống An toàn Servo 

2. Hướng dẫn thiết kế Hệ thống An toàn cho Máy Móc Tích hợp Servo

2.1. Bước 1: Xác định Mức Performance Level Yêu cầu (PLr) 

Bước đầu tiên trong quy trình thiết kế hệ thống an toàn đòi hỏi kỹ sư phải xác định Mức Performance Level Yêu cầu (PLr), dựa trên kết quả của quá trình đánh giá rủi ro an toàn trước đó. Kỹ sư thực hiện đánh giá rủi ro an toàn để nhận diện các mối nguy hiểm từ động cơ servo, đặc biệt là những chuyển động nguy hiểm tiềm tàng. Sau đó, họ áp dụng Ma trận Rủi ro (gồm các tham số Severity, Frequency, Possibility of Avoidance) để định lượng mức độ nghiêm trọng và khả năng xảy ra của rủi ro. Ví dụ một ứng dụng robot tốc độ cao hoặc máy cắt có nguy cơ gây chấn thương nghiêm trọng (S2) và khó tránh (P2) thường sẽ yêu cầu mức PLe, mức độ tin cậy cao nhất.

2.2. Bước 2: Lựa chọn Kiến trúc Hệ thống Điều khiển An toàn 

Bước 2 bao gồm việc lựa chọn Kiến trúc Hệ thống Điều khiển An toàn phù hợp với PLr đã được xác định. Các kiến trúc đơn giản có thể sử dụng Safety Relay (Rơ-le an toàn) truyền thống, một giải pháp chi phí thấp và dễ triển khai, thường chỉ đủ cho các chức năng cơ bản như STO.

Tuy nhiên, các ứng dụng phức tạp hơn, đòi hỏi giám sát chuyển động an toàn (như SLS hoặc SS2), cần phải sử dụng Safety PLC (Bộ điều khiển an toàn), một kiến trúc linh hoạt hơn và có khả năng lập trình logic an toàn phức tạp. Để đạt PLe/SIL3, hệ thống phải đáp ứng yêu cầu về cấu trúc Redundancy (Hai kênh độc lập) từ cảm biến đến bộ chấp hành, và phải thực hiện giám sát chéo (Cross-Monitoring) liên tục giữa hai kênh.

2.3. Bước 3: Lựa chọn và Tính toán Chức năng An toàn Tích hợp Servo 

Kỹ sư cần thực hiện lựa chọn và tính toán các chức năng an toàn tích hợp (Safety Integrated) của servo drive để giảm thiểu rủi ro đã được xác định.

• Thiết kế STO (Safe Torque Off): Chức năng này được thiết kế làm lớp bảo vệ cơ bản nhất cho Dừng Khẩn cấp chung, loại bỏ nguồn cung cấp mô-men xoắn theo chuẩn PLe.
• Thiết kế SS1 (Safe Stop 1) hoặc SS2 (Safe Stop 2): Các chức năng này được sử dụng để thực hiện giảm tốc an toàn khi Light Curtain bị kích hoạt hoặc cửa bảo vệ được mở. SS1 chuyển sang STO sau khi dừng, trong khi SS2 duy trì SOS (Safe Operating Stop), cho phép khởi động lại an toàn nhanh hơn.
• Tính toán Thời gian Dừng An toàn (T_delay) và Khoảng cách An toàn (S): Đây là phần tính toán quan trọng bắt buộc. Kỹ sư cần tính toán: Thời gian Dừng An toàn và Khoảng cách An toàn (S)
• Thiết kế SLS (Safely Limited Speed): Chức năng này thiết kế để giới hạn tốc độ tối đa (Vmax) trong chế độ bảo trì (Setup/Jogging Mode), cho phép can thiệp an toàn vào máy đang hoạt động.

3. Triển khai và Tích hợp các Thiết bị Bảo vệ Vật lý và Cảm biến 

3.1. Thiết kế Vòng lặp Dừng Khẩn cấp và Khóa liên động 

Kỹ sư thực hiện thiết kế Vòng lặp Dừng Khẩn cấp (E-Stop) phải đảm bảo tính sẵn sàng và dễ tiếp cận cao nhất cho người vận hành. Quy tắc bố trí các Nút Dừng Khẩn cấp (E-Stop) đòi hỏi nút phải dễ thấy, thường có màu vàng/đỏ, và nằm trong tầm tay của người vận hành tại mọi điểm can thiệp tiềm năng. 

Nguyên tắc hoạt động của Mạch Khóa liên động (Interlock) và công tắc Safety Gate (Khóa cửa an toàn) phải được áp dụng để ngăn chặn truy cập vào khu vực nguy hiểm khi máy đang hoạt động. Quan trọng nhất, E-Stop phải đảm bảo kích hoạt STO hoặc SS1 một cách tin cậy, đạt tiêu chuẩn PLe thông qua cấu trúc hai kênh độc lập.

3.2. Ứng dụng các Thiết bị Cảm biến An toàn và Giám sát Khu vực 

Các thiết bị cảm biến an toàn đóng vai trò là “mắt” của hệ thống an toàn, cần được lựa chọn kỹ lưỡng. Ứng dụng Safety Light Curtain (Màn chắn an toàn) là biện pháp phổ biến nhất, với việc chọn độ phân giải (Resolution) phù hợp (xác định kích thước vật thể tối thiểu mà rào cản có thể phát hiện) và vị trí lắp đặt dựa trên Khoảng cách An toàn đã tính toán. Safety Mats (Thảm an toàn) và Safety Edges (Viền an toàn) được sử dụng cho các khu vực nguy hiểm có thể tiếp cận từ mặt đất hoặc các cạnh. 

Lựa chọn Safe Encoder (Encoder An toàn) là yêu cầu bắt buộc khi sử dụng các chức năng giám sát chuyển động an toàn như SLS hoặc giám sát vị trí an toàn (SLP), vì chúng cung cấp tín hiệu vị trí/tốc độ dư thừa và được chứng nhận.

3.3. Tích hợp Hệ thống Bảo vệ Trục Đứng và Khởi động Lại 

Thiết kế phải đặc biệt chú trọng đến tích hợp Hệ thống Bảo vệ Trục Đứng (Vertical Axes) do nguy cơ rủi ro rơi tải do trọng lực. Tích hợp Safe Brake Control (SBC) đảm bảo phanh cơ được kiểm soát và kích hoạt một cách an toàn sau khi STO được thực thi, ngăn chặn sự cố cơ học.

Ngoài ra, thiết kế Nút/Mạch Khởi động Lại An toàn (Start/Restart Interlock) là cần thiết, yêu cầu xác nhận thủ công từ người vận hành (thường là nút nhấn reset an toàn), chỉ sau khi mọi điều kiện an toàn đã được khôi phục, máy mới có thể khởi động lại. Two-Hand Control (Điều khiển bằng hai tay) cũng là một giải pháp thiết kế phổ biến cho các máy dập, đảm bảo người vận hành không có tay nào trong vùng nguy hiểm khi servo chấp hành lệnh.

4. Kiểm tra, Xác nhận và Lập Hồ sơ Chứng nhận 

4.1. Tính toán Độ tin cậy và Chứng minh Đạt PLe/SIL 

Tính toán Độ tin cậy là bước quan trọng, chứng minh đạt PLe/SIL3 bằng các phương pháp kỹ thuật đã được phê duyệt. Kỹ sư phải thực hiện Tính toán xác suất lỗi nguy hiểm (PFHd Calculation) cho toàn bộ chuỗi an toàn (từ cảm biến, Safety PLC đến servo drive). Quá trình này sử dụng các thông số kỹ thuật của linh kiện như MTTFd (Mean Time To Dangerous Failure – Thời gian trung bình đến lỗi nguy hiểm), DC (Diagnostic Coverage – Độ bao phủ chẩn đoán) và CCF (Common Cause Failure – Lỗi do nguyên nhân chung). Tầm quan trọng của việc này là để đảm bảo rằng hệ thống an toàn được thiết kế có khả năng ngăn chặn lỗi vượt quá giới hạn PFHd cho phép của PLe/SIL3 (thấp hơn 10^{-7} lỗi/giờ).

Các chỉ số kỹ thuật cần thiết để chứng minh PLe:

• MTTFd (Mean Time To Dangerous Failure): Mức độ bền của từng kênh. Cần đạt cao (High) cho PLe.
• DC (Diagnostic Coverage): Khả năng phát hiện lỗi của hệ thống. Cần đạt cao (High) hoặc trung bình (Medium) cho PLe.
• CCF (Common Cause Failure): Mức độ bảo vệ chống lại lỗi chung (ví dụ: bụi bẩn, nhiệt độ). Cần đạt \ge 65 điểm.
• Architecture Category: Thường là Category 3 hoặc 4 (Cấu trúc Redundancy).

4.2. Quy trình Xác nhận (Validation) và Lập Hồ sơ Kỹ thuật 

Quy trình Xác nhận (Validation) là bước xác minh cuối cùng, bắt buộc để hoàn thành thiết kế hệ thống an toàn. Kỹ sư phải lập kế hoạch Xác nhận (Validation Plan) chi tiết và thực hiện Kiểm tra chức năng (Functional Test) toàn diện trên máy móc thực tế. Việc Kiểm tra chức năng bao gồm mô phỏng tất cả các kịch bản lỗi, ví dụ: kiểm tra xem SS1 có kích hoạt STO trong vòng Thời gian Dừng An toàn đã tính toán hay không.

Sau khi xác nhận thành công, việc Lập hồ sơ kỹ thuật chi tiết (Technical File) là căn cứ pháp lý duy nhất để chứng minh rằng hệ thống an toàn đã được thiết kế và triển khai đúng theo tiêu chuẩn ISO 13849 và pháp luật hiện hành. Hồ sơ này phải được lưu trữ trong suốt Vòng đời An toàn của máy. Checklist Hồ sơ Kỹ thuật An toàn Servo:

• Báo cáo Đánh giá Rủi ro An toàn (Risk Assessment Report).
• Sơ đồ Điện An toàn (Safety Wiring Diagram) với các kênh Redundancy.
• Logic và chương trình của Safety PLC.
• Báo cáo Tính toán xác suất lỗi nguy hiểm (PFHd Calculation).
• Kết quả Kiểm tra chức năng (Functional Test) và Validation Plan.

5. Kết luận

Thiết kế hệ thống an toàn cho máy móc tích hợp động cơ servo là một quy trình kỹ thuật nghiêm ngặt, đòi hỏi sự am hiểu sâu sắc về các tiêu chuẩn ISO 13849 và IEC 61508. Bằng cách lấy đánh giá rủi ro an toàn làm nền tảng và thiết kế các biện pháp bảo vệ chức năng (như STO, SS1, SLS) và vật lý phù hợp, kỹ sư có thể xây dựng các hệ thống đạt mức độ tin cậy PLe/SIL3, vừa bảo vệ tuyệt đối con người, vừa thúc đẩy hiệu suất sản xuất và đảm bảo tuân thủ tiêu chuẩn trong sản xuất công nghiệp hiện đại.