STO, SS1 alebo SS2 – ako bezpečne zastaviť stroj

Bezpečné zastavenie stroja je jedným z najdôležitejších prvkov funkčnej bezpečnosti v priemysle. Automatizačný inžinier často stojí pred otázkou: stačí jednoducho odpojiť napájanie, alebo je lepšie použiť riadené brzdenie, prípadne ponechať pohon pod napätím? V praxi sa odpoveď zvyčajne zúži na voľbu správnej funkcie zastavenia: Safe Torque Off (STO), Safe Stop 1 (SS1) alebo Safe Stop 2 (SS2). V tomto článku krok za krokom vysvetľujeme, ako tieto funkcie fungujú, kedy ktorú použiť a na čo si dať pozor pri návrhu bezpečnostného systému stroja. Všetko na základe noriem a osvedčených postupov – podané však prakticky, inžiniersky, aby to nebolo suché ako návod na obsluhu.

Bezpečné zastavenie stroja krok za krokom

Skôr než sa ponoríme do detailov STO, SS1 a SS2, oplatí sa pochopiť kategórie bezpečného zastavenia definované v normách. Norma STN EN 60204-1 rozlišuje tri scenáre (kategórie) zastavenia, ktoré zodpovedajú našim bezpečnostným funkciám:

1. Kategória 0 (STO) – núdzové zastavenie okamžitým odpojením napájania pohonu, bez riadeného brzdenia. Je to najrýchlejší spôsob zastavenia stroja, zodpovedá klasickému stlačeniu núdzového „hríbika“. Žiaľ ide o neříadené zastavenie – nechráni mechanizmy pred dôsledkami prudkého stopu. Môže sa teda ukázať ako príliš tvrdé pre citlivé stroje a zároveň spôsobovať dlhé časy opätovného spustenia zariadenia.
2. Kategória 1 (SS1) – riadené zastavenie, pri ktorom systém najprv stroj aktívne brzdí a až keď sa pohyb zastaví, odpojí napájanie (prejde do STO). Inými slovami, motor znižuje rýchlosť pod kontrolou pohonu a následne dôjde k bezpečnému vypnutiu momentu. Tento prístup minimalizuje trhnutia a umožňuje zastaviť pohyb „kultivovanejším“ spôsobom. Síce si vyžaduje určitý čas na dobrzdenie, no na druhej strane znižuje riziko mechanického poškodenia. Typické použitie je v situáciách, keď bezpečnosť vyžaduje spomalenie pohybu namiesto okamžitého odpojenia – napr. výrobné linky s citlivými prvkami, kde by náhle zastavenie mohlo poškodiť produkt.
3. Kategória 2 (SS2) – riadené zastavenie s udržaním momentu po zastavení. V tomto prípade sa po dobrzdení motora napájanie neodpája, ale pohon prejde do stavu bezpečného udržiavania stojaceho stavu (funkcia SOS – Safe Operating Stop). Motor zostáva napájaný a aktívne drží polohu, čím zabraňuje akémukoľvek pohybu. Takéto riešenie je nevyhnutné tam, kde je po zastavení potrebná stabilizácia polohy – napr. v priemyselných výťahoch alebo strojoch so zavesenými prvkami (aby sa náklad nezačal spúšťať). Výhodou kategórie 2 je aj možnosť rýchleho obnovenia práce, pretože pohonný systém zostáva v pohotovosti.

Uvedené rozdelenie umožňuje zvoliť spôsob zastavenia podľa špecifík stroja a rizík. Inak zastavíme malý pásový dopravník a inak mohutný mostový žeriav s veľkou zotrvačnosťou. Dôležité je, aby analýza rizík už vo fáze návrhu ukázala, ktorý scenár zastavenia zaručí bezpečnosť ľudí aj zariadenia. Pamätajme tiež, že podľa predpisov má byť núdzové zastavenie (E-STOP) stroja realizované v kategórii 0 alebo 1 – teda ako STO alebo SS1. Kategória 2 (SS2) s ponechaným napájaním pod napätím nie je určená pre typický núdzový „hríbik“, pretože pri záchrane života chceme čo najviac zredukovať všetky zdroje energie. SS2 však nájde uplatnenie v iných režimoch zastavenia, o čom bude reč o chvíľu.

Ako funguje funkcia Safe Torque Off (STO)

Safe Torque Off (STO) je najjednoduchšia a základná funkcia bezpečného zastavenia. Jej princíp spočíva v okamžitom odpojení energie do motora – či už odpojením výstupného napätia frekvenčného meniča, alebo rozpojením stykačov v napájacom obvode. Výsledkom je, že motor prestane vytvárať krútiaci moment (alebo silu v prípade lineárnych pohonov). Inými slovami, pohon už nemôže uvádzať do pohybu pohyblivé časti stroja. STO teda zodpovedá neříadenému zastaveniu kategórie 0, v súlade s predchádzajúcim opisom.

Treba zdôrazniť: STO nebrzdí motor aktívne – pohon sa jednoducho voľne dobieha, kým ho nezastaví trenie a odpor pohybu. Preto čas zastavenia pri STO závisí od zotrvačnosti sústavy. V strojoch s malou zotrvačnosťou a veľkými odpormi (napr. malý motor so závitovkovou prevodovkou) sa pohyb zastaví takmer okamžite. Ak však máme rýchlo rotujúce vreteno alebo ťažký rotor s veľkou hmotnosťou, po odpojení napájania sa môže ešte chvíľu točiť. STO sa teda najlepšie hodí tam, kde nie je potrebné okamžité zastavenie celého pohonu – prirodzené odpory stačia na vybrzdenie stroja v prijateľnom čase.

Výhodou STO je jednoduchosť a vysoká spoľahlivosť. Ide o funkciu, ktorá je dnes zabudovaná prakticky v každom modernom frekvenčnom meniči či servozosilňovači. Spĺňa prísne požiadavky noriem (často SIL 2 alebo SIL 3, PL d/e), takže môže nahradiť klasické stykače na odpojenie napájania. Vďaka STO vieme zabrániť nečakaným rozbehom motora – táto funkcia je základnou ochranou pred nekontrolovaným pohybom po vypnutí stroja. Núdzové tlačidlo zvyčajne aktivuje práve STO, odpojí energiu a znehybní pohon najjednoduchším možným spôsobom.

Obmedzenia? Keďže STO neriadi brzdenie, nechráni pred dôsledkami zotrvačnosti. Ak napríklad zastavujeme pásový dopravník plný tovaru len odpojením napájania, tovar sa z neho môže vplyvom dobehu zosúvať. Pri zvislých osiach (napr. žeriav, výťah) môže byť samotné STO dokonca nebezpečné – odpojenie momentu môže spôsobiť pokles zaveseného bremena pôsobením gravitácie. Preto v niektorých aplikáciách STO musí byť doplnené o ďalšie opatrenia, napr. mechanické brzdy na zastavenie pohybu. Vtedy sa používa funkcia SBC (Safe Brake Control), ktorá spolu so STO bezpečne pritiahne mechanickú brzdu na motore alebo osi. Takéto riešenie je štandardom napr. pri spomínaných žeriavoch či výťahoch – hneď po odpojení momentu pomocou STO brzda udrží bremeno na mieste.

Zhrnutie: STO okamžite odpojí moment a zabráni tomu, aby motor vytváral silu. Ide o rýchle núdzové zastavenie kategórie 0, ideálne tam, kde sa počíta každá sekunda pri odpojení energie. Treba sa však uistiť, že samovoľný dobeh stroja nepredstavuje riziko – a ak predstavuje, doplniť STO o brzdy alebo siahnuť po SS1.

Safe Stop 1 (SS1) – riadené brzdenie do zastavenia

Keď potrebujeme riadené zastavenie stroja, pomôže Safe Stop 1 (SS1). Funkcia SS1 realizuje dvojfázové zastavenie. V prvej fáze pohon motor aktívne brzdí – znižuje rýchlosť podľa zadanej brzdnej rampy alebo sleduje čas brzdenia. Keď rýchlosť klesne takmer na nulu, začne druhá fáza: automatické prepnutie do STO (bezpečné odpojenie momentu) a prípadne aktivácia mechanickej brzdy (SBC) na úplné znehybnenie osi. Inými slovami, SS1 najprv kontrolovane rozptýli energiu pohybu a potom odpojí napájanie rovnako ako STO.

Tento režim zodpovedá zastaveniu kategórie 1 podľa normy – teda riadené brzdenie + odpojenie napájania. SS1 sa odporúča vtedy, keď je potrebné čo najrýchlejšie, ale zároveň kontrolované zastavenie stroja. Typická situácia: zariadenie pracuje vo vysokej rýchlosti alebo má výraznú zotrvačnosť. Náhle odpojenie napájania (STO) spôsobí dlhý dobeh alebo silný mechanický ráz pri náhlom zastavení. Namiesto toho SS1 dynamicky brzdí motorom – čo často umožní zastaviť rýchlejšie než len trením – a zároveň to robí monitorovane, teda bezpečne pre mechaniku.

Príklady? Kotúčové píly, brúsky, odstredivky, mechanické lisy – všeobecne stroje s veľkou rotačnou energiou by sa mali zastavovať pomocou SS1. Predstavme si veľkú pásovú pílu: stlačenie STOP spôsobí, že menič nastaví brzdnú rampu a rýchlo zníži otáčky píly. Keď sa píla zastaví, odpojí sa moment (STO) a stroj zostane bezpečne znehybnený. Zastavenie je tak oveľa rýchlejšie než čakať, kým sa píla sama dobehne, a zároveň nehrozí poškodenie pohonu či materiálu náhlym trhnutím – brzdenie je plne pod kontrolou systému.

Je dobré vedieť, že norma STN EN 61800-5-2 pripúšťa rôzne spôsoby realizácie SS1. Výrobcovia pohonov ponúkajú napr. variant SS1-r (ramp monitoring) – kde systém monitoruje brzdnú rampu a zapne STO, keď rýchlosť klesne pod stanovený prah – alebo SS1-t (time controlled), kde sa STO aktivuje po stanovenom čase bez ohľadu na rýchlosť. Bez ohľadu na implementáciu je cieľ rovnaký: zastaviť pohyb čo najrýchlejšie, ako je to bezpečne možné, a na konci odpojiť energiu. SS1 zvyčajne vyžaduje pokročilejšie riadenie (napr. bezpečnostný modul v meniči alebo safety PLC), no väčšina moderných pohonov má tieto funkcie už v štandarde alebo ako voliteľnú výbavu.

Mimochodom, SS1 je častou voľbou na realizáciu núdzového zastavenia kategórie 1 – teda napr. stlačenia „hríbika“, po ktorom má stroj dobehnúť s riadeným dobehom namiesto toho, aby sa mu okamžite odpojilo napájanie. Takéto núdzové zastavenie s kontrolovaným brzdením sa vyžaduje vtedy, keď by okamžité odpojenie napájania mohlo zvýšiť riziko (napr. materiál by sa mohol vysypať z rýchlo sa otáčajúceho bubna). V praxi sa to implementuje tak, že po stlačení E-STOP bezpečnostný kontrolér vydá meniču príkaz na brzdenie (rampa SS1) a ak rýchlosť v stanovenom čase neklesne na nulu, pre istotu aj tak odpojí napájanie. Súvisí to s tým, že núdzové zastavenie musí vždy zafungovať, aj keď brzdenie zlyhá. Návrhár bezpečnostného systému by mal s takýmto scenárom počítať.

Safe Stop 2 (SS2) – zastavenie s udržiavaním polohy

Zostáva nám tretia funkcia – Safe Stop 2 (SS2). SS2 je do istej miery rozšírením SS1. Tiež realizuje zastavenie v dvoch fázach (brzdenie + bezpečný stoj), rozdiel však spočíva v tom, že po zastavení motora neodpájame napájanie. Namiesto prechodu do STO pohon pri nulovej rýchlosti aktívne udržiava moment na motore s využitím funkcie SOS (Safe Operating Stop). Inými slovami, motor sa bezpečne zastaví v určenej polohe a táto poloha je priebežne monitorovaná a udržiavaná riadiacim systémom. Takýto bezpečný stoj pod napätím zodpovedá riadenému zastaveniu kategórie 2, o ktorom bola reč vyššie.

Čo nám to prinesie? Predovšetkým rýchly reštart stroja. Keďže motor je stále napájaný (hoci v stave nulovej rýchlosti), pohyb možno okamžite obnoviť bez dodatočných postupov. Pre porovnanie: po SS1 (kategória 1) systém prejde do STO, takže aby sa znovu rozbehol, treba najprv opätovne povoliť napájanie pohonu, čo býva časovo náročné (vyžaduje reset bezpečnostného systému a pod.). SS2 toto oneskorenie eliminuje – pohyb sa dá odblokovať prakticky hneď, ako to bezpečnostné podmienky dovolia.

SS2 používame tam, kde má stroj alebo jeho časť zostať zastavená len krátko a chceme ho rýchlo znovu spustiť, prípadne kde je potrebný stoj v pripravenosti na ďalšiu prácu. Často to vyplýva zo špecifík technologického procesu alebo z potreby pravidelných krátkych zásahov obsluhy. Príkladom môže byť výrobná linka, na ktorej musí obsluha z času na čas prísť a niečo vyčistiť, nastaviť snímač, odstrániť chybný výrobok. Namiesto vypnutia celého stroja (a následného zdĺhavého opätovného spúšťania) možno použiť SS2: linka sa riadene zastaví a zostane v bezpečnom stoji, obsluha si urobí svoje počas minúty a potom pokračuje bez plného reštartu. Ďalším príkladom je kalibrácia kamerového systému na stroji – dopravník zastavíme na presne určenom mieste a kamera zostane zapnutá a pripravená na ďalšiu prácu po vykonaní nastavenia.

V aplikáciách typu robotika či montáž sa SS2 využíva na tzv. zastavenie v režime pripravenosti – robot sa zastaví v určenej polohe, drží ju (napr. s nástrojom nad dielom) počas krátkej prestávky a potom pokračuje bez potreby opätovnej kalibrácie. Treba však pamätať, že systém zostáva pod napätím – preto sa SS2 nepoužíva na núdzové zastavenie, ale na riadené zastavenia pri plánovaných prestávkach alebo v servisných režimoch. Normy jasne vyžadujú, aby sa v núdzovej situácii napájanie predsa len odpojilo (STO alebo SS1).

Z technického hľadiska si implementácia SS2 vyžaduje, aby pohon mal funkciu monitorovania rýchlosti a polohy (SOS) a certifikáciu na držanie momentu v stave pokoja. Mnohé moderné pohony to umožňujú – napr. servo pohony s bezpečnostnými modulmi vedia samy zistiť, či motor stojí, a bezpečne ho udržať v zadanej polohe. Ak hrozí, že sa záťaž predsa len začne pohybovať (napr. vplyvom gravitácie na zvislej osi), zvyčajne sa pre úplnú istotu dopĺňa aj mechanická brzda. SS2 nás nezbavuje potreby myslieť na fyziku – to, že do motora tečie prúd a drží ho v polohe, nemusí vždy stačiť napr. pri vážnej poruche. Zvyčajne sa však počas krátkych stojov nič zlé nedeje a získame na plynulosti prevádzky.

Stačí SS1 v aplikáciách s veľkou zotrvačnosťou?

Je čas odpovedať na otázku, ktorú si kladie mnoho konštruktérov: stačí v systémoch s veľkou zotrvačnosťou použiť SS1, alebo treba niečo viac? Veľká inercia (zotrvačnosť) znamená, že stroj akumuluje veľa kinetickej energie – a teda je ťažšie ho rýchlo zastaviť. Intuícia napovedá, že samotné STO by nestačilo, pretože ťažké časti by dlho dobiehali. SS1 sa preto javí ako minimum na aktívne vybrzdenie pohonu. A naozaj, vo väčšine prípadov SS1 je zlatým štandardom pre stroje s veľkou zotrvačnosťou – zabezpečuje najrýchlejšie zastavenie, pretože pohon pracuje ako brzda. Skôr spomenuté príklady (píly, odstredivky, lisy) sú práve stroje s výraznou rotujúcou hmotou, kde je SS1 doslova nevyhnutnosťou.

Stačí však SS1 vždy postačovať? Závisí to od okolností. SS1 nám zaručí zastavenie pohybu, no po ukončení brzdenia nasleduje odpojenie napájania (STO). Ak má naša aplikácia iba zastaviť ťažký mechanizmus a počkať, kým operátor vyberie diel alebo doplní materiál, SS1 pravdepodobne úlohu úplne splní – stroj bezpečne zastane a odpojenie výkonu zabráni akýmkoľvek nepríjemným prekvapeniam. Musíme len zabezpečiť, aby bol pohon a jeho komponenty prispôsobené na pohltenie brzdnej energie (napr. vhodné brzdné rezistory vo frekvenčnom meniči, aby sa pri disipácii veľkej energie nepoškodil). Projektant priemyselnej automatizácie by mal overiť, či má menič/servopohon dostatočný brzdný výkon pre danú zotrvačnosť – častou chybou je, že bezpečnostná funkcia síce funguje, ale pohon pri pokuse zabrzdiť ťažký zotrvačník vyhodí chybu preťaženia.

Druhou otázkou je, čo sa deje po zastavení. Ak má systém veľkú zotrvačnosť, ale zastaví sa v stabilnej polohe (napr. vodorovne uložený valec jednoducho prestane rotovať), je to v poriadku. V strojoch, kde sa však veľká masa môže posunúť pôsobením vonkajších síl (hoci len gravitácie), samotné SS1 nemusí stačiť – pretože po prechode do STO sa bremeno začne hýbať. Príklad: veľkorozmerný dopravník naklonený pod uhlom – má veľkú hmotnosť pásu aj prepravovaného tovaru. Zabrzdíme ho motorom (SS1), ale keď odpojíme výkon, existuje riziko, že gravitácia rozbehne pás smerom nadol. V takýchto situáciách je potrebné doplniť mechanickú blokáciu pohybu. Môže to byť spomínaná brzda SBC, ktorá sa v momente odpojenia napájania pritiahne a udrží polohu. Bez toho to nepôjde – samotná elektrická funkcia neprekoná fyzikálne zákony. Inými slovami, SS1 treba doplniť o mechanické prostriedky, keď si to aplikácia vyžaduje.

A čo ak bude SS2 lepšie pri veľkej zotrvačnosti? Veď SS2 udržiava moment, takže nehrozí „pustenie“ bremena. Je to pravda: SS2 zabezpečuje aktívne držanie polohy po zastavení, čo je výhodné napr. pri zvislých osiach so zaťažením. V praxi sa však vo väčšine prípadov aj tak používa mechanická brzda ako dodatočné istenie. SS2 sa hodí najmä vtedy, keď potrebujeme rýchly opätovný rozbeh – teda ak sa má tento ťažký systém často rozbiehať z miesta a nechceme zakaždým resetovať pohon. Samotná veľká zotrvačnosť si SS2 nevynucuje, vynucuje si však riadené brzdenie – a to už poskytuje SS1. Zhrnutie: v strojoch s veľkou zotrvačnosťou SS1 s dobre navrhnutým brzdným systémom zvyčajne úplne postačuje, za predpokladu, že pri osiach, ktoré by sa mohli samovoľne pohnúť, zohľadníme aj dodatočné brzdy. SS2 možno doplniť, ak sú pre nás prínosy rýchlejšieho reštartu dôležité, alebo ak je potrebné státie v pohotovosti (to sú však už otázky technologického procesu, nie samotnej zotrvačnosti).

STO, SS1 a SS2 sú tri rôzne odpovede na otázku, ako stroj bezpečne zastaviť. Každá z týchto funkcií má svoje miesto v arzenáli automatizačného inžiniera. STO okamžite odpojí energiu – jednoducho a spoľahlivo, no umožní stroju dobehnúť zotrvačnosťou. SS1 pridáva riadené brzdenie, vďaka čomu je zastavenie rýchlejšie a šetrnejšie k mechanike, a po zastavení je stroj bez napätia. SS2 naopak zastaví rovnako rýchlo ako SS1, ale drží stroj „na uzde“ pod napätím, pripravený na opätovný štart v okamihu.

Pri navrhovaní bezpečných riadiacich systémov sa oplatí riadiť sa normami (STN EN 61800-5-2 tieto funkcie presne opisuje), ako aj zdravým rozumom a analýzou rizík. Dokumenty nám napovedia, čo sa vyžaduje z právneho hľadiska, no my – ako integrátori priemyselnej automatizácie – musíme riešenie prispôsobiť konkrétnemu stroju. Niekedy bude najlepšie najjednoduchšie STO (menej vecí, ktoré sa môžu pokaziť!), a inokedy sa bez SS1 nepohneme, lebo inak by sa zariadenie pri núdzovom zastavení mohlo rozpadnúť. V ďalších situáciách oceníme SS2, ktoré nám ušetrí prestoje a umožní rýchlo obnovovať pracovný cyklus.

Na záver si pripomeňme: žiadna z týchto funkcií neurobí zázraky, ak ju zle navrhneme alebo použijeme mimo určenia. Treba zabezpečiť vhodné komponenty (meniče s certifikáciou STO/SS1/SS2, snímače, bezpečnostné riadiace jednotky), správnu konfiguráciu a pravidelné testy. Oplatí sa tiež zvážiť školenia k normám či štandardom (napr. Smernica o strojových zariadeniach 2006/42/EC, STN EN ISO 13849-1, STN EN 62061), pretože znalosť predpisov ide ruka v ruke s inžinierskou praxou. Dúfame, že tento článok vniesol viac svetla do dilemy STO vs SS1 vs SS2. Nabudúce, keď bude treba navrhnúť bezpečné zastavenie stroja, budeš si môcť vedome vybrať najlepšiu možnosť – a predovšetkým zabezpečiť maximálnu bezpečnosť bez kompromisov pre proces. Veľa úspechov v projektoch a vždy bezpečnú prácu!