Tiêu chuẩn ISO 10218 (Robot công nghiệp) – Nền tảng an toàn và hiệu quả trong tự động hóa sản xuất

Tiêu chuẩn ISO 10218 là một bộ tiêu chuẩn quốc tế quan trọng quy định các yêu cầu an toàn cần thiết cho việc thiết kế, lắp đặt, vận hành và bảo trì robot công nghiệp và hệ thống robot. Với sự bùng nổ của tự động hóa trong sản xuất công nghiệp và việc triển khai robot ngày càng rộng rãi, ISO 10218 đóng vai trò then chốt trong việc bảo vệ người lao động khỏi các mối nguy tiềm ẩn, đồng thời đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của các hệ thống tự động. Bài viết này sẽ đi sâu vào định nghĩa robot công nghiệp, cấu trúc và mục tiêu của ISO 10218 (gồm ISO 10218-1 và ISO 10218-2), các khái niệm an toàn cốt lõi, những yêu cầu cụ thể đối với robot và hệ thống robot, các ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp, cũng như những lợi ích và thách thức khi áp dụng tiêu chuẩn này.

1. Giới thiệu tổng quan về Tiêu chuẩn ISO 10218

Robot công nghiệp là một máy thao tác tự động, có thể lập trình, đa năng, được thiết kế để di chuyển vật liệu, các bộ phận, dụng cụ hoặc các thiết bị đặc biệt thông qua các chuyển động đã được lập trình để thực hiện các nhiệm vụ đa dạng.

Các loại robot công nghiệp phổ biến bao gồm robot khớp nối (Articulated Robots) với các trục quay linh hoạt, robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) lý tưởng cho các tác vụ lắp ráp chính xác, và robot delta (Parallel Robots) nổi bật với tốc độ cao trong các ứng dụng gắp và đặt. Trong bối cảnh tự động hóa trong sản xuất công nghiệp, robot đóng vai trò trọng yếu trong việc tăng cường năng suất, cải thiện chất lượng sản phẩm, giảm thiểu lỗi do con người và thực hiện các công việc nguy hiểm hoặc lặp đi lặp lại, mang lại hiệu quả vượt trội cho nhà máy.

Tiêu chuẩn ISO 10218 là một bộ tiêu chuẩn quốc tế được phát triển bởi Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế (ISO), quy định các yêu cầu an toàn cho robot công nghiệp và hệ thống robot. Được ban hành lần đầu vào những năm 1990 và cập nhật liên tục, tiêu chuẩn này ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu cấp thiết về một khuôn khổ an toàn thống nhất khi robot ngày càng được tích hợp sâu rộng vào quy trình sản xuất.

Phạm vi áp dụng của ISO 10218 bao gồm tất cả các khía cạnh liên quan đến an toàn của robot công nghiệp, từ thiết kế an toàn của bản thân robot đến các yêu cầu an toàn cho việc lắp đặt, vận hành, lập trình, bảo trì và ngừng hoạt động của toàn bộ hệ thống robot.

Cấu trúc của Tiêu chuẩn ISO 10218 bao gồm hai phần chính để bao quát toàn diện các khía cạnh an toàn:

• ISO 10218-1: Robot: Tập trung vào các yêu cầu an toàn cho việc thiết kế và xây dựng của bản thân robot công nghiệp. Phần này quy định các tính năng an toàn tích hợp sẵn trong robot, chẳng hạn như hệ thống phanh, chức năng giới hạn chuyển động, và các chức năng dừng an toàn.
• ISO 10218-2: Hệ thống robot và tích hợp: Đề cập đến các yêu cầu an toàn cho việc lắp đặt, vận hành, bảo trì và gỡ bỏ toàn bộ hệ thống robot, bao gồm robot, thiết bị ngoại vi, khu vực làm việc và các biện pháp bảo vệ. Phần này là nền tảng cho các nhà tích hợp hệ thống và người dùng cuối.

Mục tiêu chính của ISO 10218 là đảm bảo an toàn cho người lao động khi làm việc trong môi trường có robot, giảm thiểu tối đa các rủi ro tai nạn do va chạm, kẹt hoặc các lỗi chức năng của robot. Tiêu chuẩn này cung cấp các yêu cầu và hướng dẫn rõ ràng để thiết kế, lắp đặt, vận hành và bảo trì robot một cách an toàn, từ đó không chỉ bảo vệ con người mà còn tăng cường hiệu quả và độ tin cậy của toàn bộ hệ thống robot, thúc đẩy việc triển khai tự động hóa một cách bền vững.

2. Các khái niệm và định nghĩa quan trọng trong ISO 10218

Không gian làm việc của robot (Robot Workspace) là vùng không gian mà robot hoặc các thiết bị gắn trên robot có thể tiếp cận được. ISO 10218 phân loại các không gian này để xác định các yêu cầu bảo vệ. Không gian giới hạn là vùng không gian tối đa mà robot có thể tiếp cận sau khi đã thiết lập các giới hạn điện tử hoặc vật lý, trong khi không gian nguy hiểm là vùng không gian mà người có thể tiếp cận và có thể bị gây hại bởi chuyển động của robot hoặc thiết bị công tác.

Để bảo vệ không gian làm việc của robot, các biện pháp như rào chắn vật lý (hàng rào, cửa an toàn), cảm biến ánh sáng (Light Curtains), thảm áp lực (Pressure Mats) hoặc quét laser an toàn (Safety Laser Scanners) được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của con người và kích hoạt các chức năng dừng an toàn.

Các chế độ hoạt động của robot (Robot Operating Modes) là các trạng thái mà robot có thể hoạt động, mỗi trạng thái có những yêu cầu an toàn riêng biệt để bảo vệ người lao động. ISO 10218 xác định các chế độ chính:

• Chế độ thủ công (Manual Mode): Robot được vận hành bởi người lập trình hoặc kỹ thuật viên từ bảng điều khiển cầm tay (teach pendant). Trong chế độ này, tốc độ robot phải được giới hạn chặt chẽ (thường dưới 250 mm/s) và các chức năng an toàn như “nút giữ người vận hành” (enabling device) phải hoạt động.
• Chế độ tự động (Automatic Mode): Robot hoạt động hoàn toàn tự động theo chương trình mà không có sự can thiệp trực tiếp của con người trong không gian làm việc của robot. Các biện pháp bảo vệ vĩnh viễn (như rào chắn) phải được kích hoạt để ngăn chặn con người tiếp cận khu vực nguy hiểm.
• Chế độ tốc độ giảm (Reduced Speed Mode): Đây là một biến thể của chế độ thủ công hoặc tự động, trong đó tốc độ của robot được giới hạn đáng kể để cho phép người vận hành thực hiện các thao tác gần robot một cách an toàn hơn, thường được sử dụng trong quá trình thử nghiệm hoặc bảo trì.

Thiết bị bảo vệ (Safeguarding Devices) là các thiết bị hoặc hệ thống được thiết kế để bảo vệ người lao động khỏi các mối nguy hiểm do robot gây ra, đóng vai trò sống còn trong việc đảm bảo an toàn cho hệ thống robot. Các loại thiết bị bảo vệ phổ biến bao gồm:

• Rào chắn vật lý: Hàng rào, cổng an toàn có khóa liên động, ngăn chặn vật lý con người tiếp cận không gian nguy hiểm.
• Cảm biến ánh sáng (Light Curtains): Tạo ra một “bức màn” ánh sáng vô hình; khi bị ngắt bởi sự xuất hiện của con người, hệ thống sẽ kích hoạt chức năng dừng an toàn.
• Thảm áp lực (Pressure Mats): Phát hiện sự hiện diện của người trên một khu vực cụ thể bằng cách cảm nhận trọng lượng, sau đó gửi tín hiệu dừng.
• Máy quét laser an toàn (Safety Laser Scanners): Tạo ra các vùng bảo vệ 2D hoặc 3D xung quanh robot, phát hiện sự xâm nhập và kích hoạt các phản ứng an toàn khác nhau (cảnh báo, giảm tốc độ, dừng).
• Nút dừng khẩn cấp (Emergency Stop Buttons): Cho phép người vận hành dừng ngay lập tức toàn bộ hệ thống trong trường hợp khẩn cấp.

Các thiết bị này phải đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất và độ tin cậy theo các tiêu chuẩn an toàn chức năng như EN ISO 13849-1 hoặc IEC 62061, đảm bảo chúng hoạt động đáng tin cậy khi được yêu cầu.

3. Yêu cầu an toàn đối với robot (ISO 10218-1)

ISO 10218-1 quy định các yêu cầu chặt chẽ về thiết kế robot nhằm đảm bảo an toàn nội tại của chúng. Các yêu cầu này bao gồm:

• Cấu trúc cơ khí phải có độ bền, ổn định và khả năng chịu lực phù hợp để ngăn ngừa lỗi cấu trúc hoặc chuyển động không mong muốn.
• Hệ thống điều khiển của robot phải đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy cao, có khả năng phát hiện lỗi và phản ứng an toàn.
• Hệ thống phanh phải hoạt động hiệu quả để giữ robot ở vị trí an toàn khi tắt nguồn hoặc có lỗi.
• Hệ thống dừng khẩn cấp phải được tích hợp và dễ tiếp cận, cho phép dừng ngay lập tức mọi chuyển động nguy hiểm.
• Hệ thống cảnh báo (như đèn tín hiệu, còi) phải rõ ràng để thông báo trạng thái hoạt động hoặc nguy hiểm tiềm tàng của robot cho người xung quanh.

ISO 10218-1 yêu cầu robot phải được trang bị một số chức năng an toàn cốt lõi để bảo vệ người vận hành và những người khác trong khu vực làm việc. Các chức năng này bao gồm:

• Chức năng giới hạn tốc độ và vị trí, đảm bảo robot không vượt quá các giới hạn tốc độ và không gian đã được thiết lập an toàn.
• Chức năng giám sát an toàn, liên tục kiểm tra các thông số hoạt động của robot (ví dụ: tốc độ, vị trí, lực tác động) và kích hoạt dừng an toàn nếu phát hiện bất thường.
• Chức năng ngăn chặn khởi động lại tự động sau khi hệ thống đã dừng do lỗi hoặc sự kiện an toàn, yêu cầu can thiệp thủ công để khởi động lại, ngăn ngừa việc khởi động bất ngờ và nguy hiểm.

Để đảm bảo người dùng được cung cấp đầy đủ thông tin về an toàn, ISO 10218-1 quy định các yêu cầu về thông tin và đánh dấu trên robot. Điều này bao gồm việc cung cấp hướng dẫn sử dụng chi tiết, rõ ràng và dễ hiểu, bao gồm các quy trình vận hành an toàn, bảo trì và xử lý sự cố. Ngoài ra, robot phải có các nhãn cảnh báo rõ ràng về các mối nguy hiểm tiềm ẩn và các khu vực nguy hiểm. Các bộ phận nguy hiểm của robot, như các điểm kẹp hoặc các bề mặt nóng, cũng phải được đánh dấu một cách dễ nhận biết để cảnh báo trực quan cho người lao động.

4. Yêu cầu an toàn đối với hệ thống robot (ISO 10218-2)

ISO 10218-2 cung cấp một khuôn khổ chi tiết để phân tích rủi ro hệ thống robot, đây là bước khởi đầu quan trọng để thiết kế một hệ thống an toàn. Các bước phân tích rủi ro bao gồm:

• Nhận diện các mối nguy hiểm tiềm ẩn liên quan đến hoạt động của robot và các thiết bị ngoại vi (ví dụ: va chạm với người, kẹt giữa robot và vật cản, phóng mảnh văng).
• Đánh giá rủi ro bằng cách xác định xác suất xảy ra mối nguy và mức độ nghiêm trọng của hậu quả.
• Xác định các biện pháp giảm thiểu rủi ro cần thiết. Quá trình này giúp nhà tích hợp hệ thống và người dùng cuối hiểu rõ các nguy cơ và xây dựng các giải pháp an toàn phù hợp.

Thiết kế hệ thống an toàn theo ISO 10218-2 là quá trình quan trọng dựa trên kết quả phân tích rủi ro. Việc này bao gồm lựa chọn và tích hợp các thiết bị bảo vệ phù hợp (ví dụ: rào chắn cố định, cổng an toàn, cảm biến ánh sáng, máy quét laser an toàn) để ngăn chặn hoặc phát hiện sự xâm nhập của con người vào không gian nguy hiểm.

Hơn nữa, việc thiết kế bố trí không gian làm việc an toàn là tối quan trọng, đảm bảo có đủ khoảng cách an toàn giữa robot và các vật cản, cũng như giữa robot và người lao động. C

uối cùng, thiết kế hệ thống điều khiển an toàn phải đảm bảo rằng các chức năng an toàn (như dừng an toàn, giám sát tốc độ) được thực hiện bởi các mạch điều khiển đáng tin cậy và có hiệu suất an toàn phù hợp (Performance Level – PL theo EN ISO 13849-1 hoặc SIL theo IEC 62061).

Lắp đặt và vận hành hệ thống robot an toàn đòi hỏi sự tuân thủ nghiêm ngặt các quy trình và hướng dẫn để đảm bảo an toàn tối đa. Yêu cầu về lắp đặt robot bao gồm việc neo giữ robot chắc chắn, đi dây cáp an toàn, và đảm bảo các thiết bị bảo vệ được lắp đặt đúng vị trí và hoạt động chính xác.

Trong quá trình khởi động và vận hành an toàn, cần thực hiện các kiểm tra trước khi vận hành, đảm bảo tất cả các hệ thống an toàn đã được kích hoạt.

Ngoài ra, việc cung cấp hướng dẫn làm việc an toàn với robot cho tất cả người lao động tương tác với hệ thống là rất quan trọng, bao gồm các quy tắc về vùng cấm, quy trình vào ra khu vực robot, và cách sử dụng các thiết bị dừng khẩn cấp.

Bảo trì và sửa chữa hệ thống robot yêu cầu các quy trình đặc biệt để duy trì mức độ an toàn của chúng trong suốt vòng đời. Việc lập lịch trình bảo trì định kỳ là cần thiết để kiểm tra, hiệu chuẩn và thay thế các bộ phận hao mòn của robot và các thiết bị an toàn.

Quy trình sửa chữa an toàn phải được tuân thủ nghiêm ngặt, bao gồm việc ngắt nguồn năng lượng (lockout/tagout) và xác minh trạng thái không năng lượng trước khi thực hiện bất kỳ thao tác sửa chữa nào trong không gian làm việc của robot. Khi thay thế các bộ phận an toàn, cần đảm bảo rằng các bộ phận thay thế có hiệu suất an toàn tương đương hoặc cao hơn so với bộ phận ban đầu, và việc thay thế phải được thực hiện bởi nhân viên có chuyên môn.

5. Ứng dụng của ISO 10218 trong các ngành công nghiệp

Ngành sản xuất ô tô

Trong ngành sản xuất ô tô, nơi robot công nghiệp được sử dụng rộng rãi cho các tác vụ như robot hàn, robot sơn và robot lắp ráp, việc tuân thủ ISO 10218 là bắt buộc để đảm bảo an toàn cho hàng ngàn công nhân.

Tiêu chuẩn này được áp dụng trong việc thiết kế các khu vực làm việc của robot (robot cells), các hệ thống rào chắn, cảm biến an toàn và các chức năng dừng khẩn cấp để bảo vệ người lao động khỏi các chuyển động nguy hiểm của robot trong dây chuyền sản xuất ô tô tốc độ cao.

Ngành điện tử và thực phẩm đồ uống

Trong ngành điện tử, nơi robot thực hiện các tác vụ tinh vi như robot gắp và đặt linh kiện (pick-and-place) và robot kiểm tra, ISO 10218 được áp dụng để đảm bảo an toàn trong các khu vực làm việc chật hẹp, thường có sự tương tác gần giữa robot và con người (trong các chế độ lập trình hoặc thử nghiệm).

Tương tự, trong ngành thực phẩm và đồ uống, các robot đóng gói và robot xếp pallet phải tuân thủ ISO 10218 để đảm bảo an toàn vệ sinh và bảo vệ người vận hành trong các môi trường có yêu cầu về vệ sinh cao.

Bảng 1: Ứng dụng của ISO 10218 trong các ngành công nghiệp chính

Ngành Công nghiệp	Ứng dụng Robot Công nghiệp Điển hình	Cách ISO 10218 được áp dụng	Lợi ích chính
Sản xuất Ô tô	Robot hàn, sơn, lắp ráp, vận chuyển.	Thiết kế tế bào robot an toàn, hệ thống khóa liên động, vùng cấm.	Giảm tai nạn lao động, nâng cao năng suất dây chuyền.
Điện tử	Robot gắp/đặt linh kiện, kiểm tra, lắp ráp PCB.	Giới hạn tốc độ, kiểm soát vùng làm việc, thiết bị dừng khẩn cấp.	Bảo vệ nhân viên trong môi trường làm việc gần robot, tăng độ chính xác.
Thực phẩm & Đồ uống	Robot đóng gói, xếp pallet, xử lý nguyên liệu.	Đảm bảo vệ sinh, thiết kế rào chắn, cảm biến an toàn, chế độ vận hành an toàn.	Nâng cao an toàn vệ sinh, tối ưu hóa quy trình đóng gói.
Kim loại	Robot cắt, hàn, mài, gắp phôi nóng.	Kiểm soát nhiệt độ, bảo vệ khỏi mảnh văng, vùng an toàn kiên cố.	Bảo vệ người lao động khỏi môi trường khắc nghiệt và vật liệu nóng.
Dược phẩm	Robot định lượng, đóng gói, kiểm tra chất lượng.	Thiết kế buồng sạch, kiểm soát chuyển động, hệ thống giám sát an toàn.	Đảm bảo vô trùng, chính xác trong quy trình sản xuất nhạy cảm.

6. Lợi ích và thách thức khi áp dụng ISO 10218

Những lợi ích đáng kể nào cho các doanh nghiệp và người lao động?

Việc áp dụng Tiêu chuẩn ISO 10218 mang lại nhiều lợi ích quan trọng cho cả doanh nghiệp và người lao động trong môi trường tự động hóa trong sản xuất công nghiệp. Lợi ích hàng đầu là giảm thiểu tai nạn lao động liên quan đến robot bằng cách thiết lập các yêu cầu an toàn rõ ràng cho thiết kế và vận hành.

Điều này trực tiếp dẫn đến việc tăng cường độ tin cậy và hiệu suất của hệ thống robot vì các hệ thống an toàn được thiết kế tốt cũng giúp robot hoạt động ổn định và hiệu quả hơn. Doanh nghiệp còn đảm bảo tuân thủ các quy định pháp luật về an toàn lao động ở nhiều quốc gia, tránh các hình phạt pháp lý và thiệt hại danh tiếng.

Cuối cùng, việc cam kết với an toàn robot thông qua ISO 10218 giúp nâng cao uy tín và trách nhiệm xã hội của doanh nghiệp, thể hiện sự quan tâm đến sức khỏe và sự an toàn của nhân viên.

Những thách thức

Mặc dù mang lại nhiều lợi ích, việc triển khai và tuân thủ ISO 10218 cũng đặt ra một số thách thức đáng kể.

Thách thức đầu tiên là chi phí đầu tư ban đầu có thể cao, bao gồm chi phí cho việc thiết kế lại khu vực làm việc của robot, mua sắm các thiết bị bảo vệ an toàn chuyên dụng, và chi phí đào tạo nhân sự.

Thứ hai, tiêu chuẩn này yêu cầu kiến thức chuyên môn sâu rộng về an toàn robot, bao gồm việc hiểu rõ các nguyên tắc đánh giá rủi ro, các chức năng an toàn và các yêu cầu kỹ thuật chi tiết.

Thứ ba, quá trình phức tạp trong việc đánh giá rủi ro và thiết kế hệ thống an toàn đòi hỏi sự phân tích tỉ mỉ và thường cần sự hỗ trợ từ các chuyên gia.

Cuối cùng, việc duy trì sự tuân thủ trong suốt vòng đời của hệ thống robot, bao gồm bảo trì định kỳ, kiểm tra hiệu suất của các thiết bị an toàn và quản lý thay đổi, là một thách thức liên tục đòi hỏi sự cam kết và nguồn lực.

7. Các tiêu chuẩn liên quan đến an toàn robot

Ngoài ISO 10218 là tiêu chuẩn nền tảng cho robot công nghiệp, có một số tiêu chuẩn khác cũng rất quan trọng và thường được sử dụng song song để đảm bảo an toàn robot trong các ngữ cảnh cụ thể. Các tiêu chuẩn này bổ sung cho ISO 10218, cung cấp các hướng dẫn chi tiết hơn hoặc tập trung vào các loại robot hoặc tính năng an toàn đặc biệt.

• ISO/TS 15066: Đây là tiêu chuẩn kỹ thuật quan trọng nhất về robot cộng tác (Collaborative Robots). Nó cung cấp các yêu cầu và hướng dẫn chi tiết cho việc thiết kế, tích hợp và sử dụng an toàn các robot được thiết kế để làm việc trực tiếp với con người trong cùng một không gian làm việc, bao gồm các phương pháp giới hạn công suất và lực tác động.
• ANSI/RIA R15.06: Đây là tiêu chuẩn an toàn robot của Hoa Kỳ, được phát triển bởi Hiệp hội Công nghiệp Robot (Robotics Industries Association – RIA). Tiêu chuẩn này phần lớn hài hòa với ISO 10218 nhưng có một số khác biệt nhỏ và là tài liệu bắt buộc phải tuân thủ trong khu vực Bắc Mỹ.
• EN ISO 13849-1: Tiêu chuẩn này đề cập đến các bộ phận của hệ thống điều khiển liên quan đến an toàn, xác định các mức độ hiệu suất (Performance Levels – PL) cần thiết cho các chức năng an toàn của máy móc, bao gồm cả robot. PL là một thước đo định lượng về khả năng thực hiện chức năng an toàn và thường được áp dụng cùng với ISO 10218.
• IEC 61508: Đây là tiêu chuẩn mẹ về an toàn chức năng của hệ thống điện/điện tử/có thể lập trình (E/E/PES). Mặc dù ISO 10218 cung cấp các yêu cầu cụ thể cho robot, các nguyên tắc về an toàn chức năng từ IEC 61508 (như xác định SIL) vẫn là nền tảng cho việc thiết kế các hệ thống điều khiển an toàn phức tạp trong robot và hệ thống robot.
• IEC 62061: Tiêu chuẩn này cũng liên quan đến an toàn chức năng máy móc, cung cấp phương pháp cụ thể để xác định Mức độ toàn vẹn an toàn (SIL) cho các hệ thống điều khiển an toàn của máy móc, thường được sử dụng song song với EN ISO 13849-1.

8. Kết luận

Tiêu chuẩn ISO 10218 đã khẳng định vai trò không thể thiếu của mình trong việc đảm bảo an toàn và hiệu quả cho việc triển khai robot công nghiệp. Với sự phát triển nhanh chóng của tự động hóa trong sản xuất công nghiệp, ISO 10218 đã trở thành một tài liệu hướng dẫn cực kỳ quan trọng, cung cấp một khuôn khổ toàn diện để thiết kế, lắp đặt và vận hành các hệ thống robot một cách an toàn. Nó không chỉ bảo vệ tính mạng và sức khỏe của người lao động mà còn góp phần nâng cao độ tin cậy và năng suất của các quy trình tự động hóa.