STO, SS1 eller SS2 – hur man stoppar en maskin på ett säkert sätt

Säker stopp av en maskin är en av de viktigaste delarna av funktionssäkerhet i industrin. Automationsingenjören ställs ofta inför frågan: räcker det att helt enkelt bryta matningen, är det bättre att använda kontrollerad inbromsning, eller ska drivningen hållas spänningssatt? I praktiken handlar svaret om att välja rätt stoppfunktion: Safe Torque Off (STO), Safe Stop 1 (SS1) eller Safe Stop 2 (SS2). I den här artikeln förklarar vi steg för steg hur dessa funktioner fungerar, när man ska använda vilken och vad man behöver tänka på vid konstruktion av maskinens säkerhetssystem. Allt baserat på standarder och god praxis – men presenterat på ett praktiskt, ingenjörsmässigt sätt, så att läsningen inte blir torr som en bruksanvisning.

Säker stopp av maskinen steg för steg

Innan vi går in på detaljerna kring STO, SS1 och SS2 är det bra att förstå de kategorier för säkert stopp som definieras i standarder. Standarden SS-EN 60204-1 skiljer på tre stoppförlopp (kategorier) som motsvarar våra säkerhetsfunktioner:

1. Kategori 0 (STO) – nödstopp genom omedelbar frånkoppling av drivningens matning, utan kontrollerad inbromsning. Det är det snabbaste sättet att stoppa maskinen och motsvarar det klassiska trycket på nödstoppknappen. Tyvärr är det ett okontrollerat stopp – det skyddar inte mekaniken mot följderna av ett abrupt stopp. Det kan därför vara för brutalt för känsliga maskiner och dessutom ge långa tider för återstart av utrustningen.
2. Kategori 1 (SS1) – kontrollerat stopp, där systemet först bromsar maskinen aktivt och först när rörelsen har upphört bryter matningen (och går över till STO). Med andra ord sänks varvtalet under drivningens kontroll, och därefter sker en säker frånkoppling av momentet. Detta minimerar ryck och gör att rörelsen kan stoppas på ett mer civiliserat sätt. Det kräver visserligen en kort stund för inbromsningen, men minskar risken för mekaniska skador. Typiska tillämpningar är situationer där säkerheten kräver att rörelsen bromsas i stället för att matningen bryts omedelbart – t.ex. produktionslinjer med ömtåliga komponenter, där ett plötsligt stopp skulle kunna skada produkten.
3. Kategori 2 (SS2) – kontrollerat stopp med bibehållet moment efter stopp. I detta fall kopplas matningen inte från efter inbromsningen, utan drivningen går över till ett läge som upprätthåller ett säkert stillestånd (funktionen SOS – Safe Operating Stop). Motorn förblir spänningssatt och håller aktivt positionen, vilket förhindrar all rörelse. En sådan lösning är nödvändig där positionen måste stabiliseras efter stopp – t.ex. i industrihissar eller maskiner med hängande delar (så att lasten inte börjar sjunka). En fördel med kategori 2 är också att arbetet snabbt kan återupptas, eftersom drivsystemet förblir redo.

Indelningen ovan gör det möjligt att anpassa stoppmetoden till maskinens egenskaper och riskerna. Man stoppar en liten bandtransportör på ett annat sätt än en kraftig travers med stor tröghet. Det är viktigt att riskanalysen i konstruktionsskedet visar vilket stoppförlopp som garanterar säkerhet för människor och utrustning. Kom också ihåg att enligt regelverket ska maskinens nödstopp (E-STOP) utföras i kategori 0 eller 1 – alltså som STO eller SS1. Kategori 2 (SS2), där matningen lämnas spänningssatt, är inte avsedd för en typisk nödstoppknapp, eftersom vi vid livräddande åtgärder vill reducera alla energikällor så mycket som möjligt. SS2 används däremot i andra stopplägen, vilket vi snart kommer till.

Hur fungerar funktionen Safe Torque Off (STO)

Safe Torque Off (STO) är den enklaste och mest grundläggande funktionen för säkert stopp. Den fungerar genom att omedelbart koppla bort energin till motorn – antingen genom att bryta frekvensomriktarens utspänning eller genom att frånkoppla kontaktorer i matningskretsen. Resultatet blir att motorn slutar generera vridmoment (eller kraft, i fallet med linjära ställdon). Med andra ord kan drivningen inte längre driva maskinens rörliga delar. STO motsvarar därmed ett okontrollerat stopp i kategori 0, i enlighet med beskrivningen ovan.

Det är viktigt att understryka: STO bromsar inte aktivt motorn – den får helt enkelt rulla ut fritt tills friktion och rörelsemotstånd får den att stanna. Därför beror stopptiden vid STO på systemets tröghet. I maskiner med låg tröghet och stora motstånd (t.ex. en liten motor med snäckväxel) upphör rörelsen nästan omedelbart. Men om vi har en snabbt roterande spindel eller en tung rotor med stor massa kan den, efter att matningen bryts, fortsätta att snurra en stund till. STO passar därför bäst där ett omedelbart stopp av hela drivningen inte krävs – de naturliga motkrafterna räcker för att bromsa maskinen inom en acceptabel tid.

Fördelen med STO är enkelheten och hög driftsäkerhet. Det är en funktion som i dag i praktiken finns inbyggd i varje modern frekvensomriktare eller servoförstärkare. Den uppfyller stränga normkrav (ofta SIL 2 eller SIL 3, PL d/e) och kan därför ersätta klassiska kontaktorer som bryter matningen. Med STO kan vi förhindra oväntade motorstarter – funktionen är ett grundläggande skydd mot okontrollerad rörelse efter att maskinen stängts av. Nödstoppknappen aktiverar vanligtvis just STO, bryter energin och gör drivningen orörlig på enklast möjliga sätt.

Begränsningar? Eftersom STO inte styr bromsningen skyddar den inte mot tröghetens följder. Om vi till exempel stoppar ett transportband fullt med gods enbart genom att bryta matningen kan godset fortsätta att glida av av egen rörelseenergi. För vertikala axlar (t.ex. travers, hiss) kan enbart STO till och med vara farligt – när momentet kopplas bort finns risk att en hängande last sjunker under gravitationens inverkan. Därför måste STO i vissa tillämpningar kompletteras med ytterligare åtgärder, t.ex. mekaniska bromsar som stoppar rörelsen. Då används funktionen SBC (Safe Brake Control), som tillsammans med STO på ett säkert sätt ansätter den mekaniska bromsen på motor eller axel. En sådan lösning är standard t.ex. i nämnda traverser eller hissar – direkt efter att momentet kopplats bort med STO håller bromsen lasten på plats.

Sammanfattningsvis: STO kopplar omedelbart bort momentet och förhindrar att motorn genererar kraft. Det är ett snabbt nödstopp i kategori 0, idealiskt när varje sekund för att bryta energin räknas. Man måste dock säkerställa att maskinens självutlöpning inte skapar en fara – och om den gör det, komplettera STO med bromsar eller välja SS1.

Safe Stop 1 (SS1) – kontrollerad bromsning till stopp

När man behöver ett kontrollerat stopp av maskinen är Safe Stop 1 (SS1) till hjälp. SS1 genomför ett tvåfasigt stopp. I den första fasen bromsar drivningen motorn aktivt – den begränsar hastigheten enligt en angiven bromsramp eller övervakar bromstiden. När hastigheten sjunkit nästan till noll börjar den andra fasen: automatisk växling till STO (säker momentfrånkoppling) och vid behov aktivering av en mekanisk broms (SBC) för att helt låsa axeln. Med andra ord reducerar SS1 först rörelseenergin på ett kontrollerat sätt och bryter därefter matningen på samma sätt som STO.

Detta läge motsvarar stoppkategori 1 enligt normen – alltså kontrollerad bromsning + frånkoppling av matningen. SS1 rekommenderas när maskinen behöver stanna så snabbt som möjligt, men samtidigt kontrollerat. En typisk situation är när utrustningen arbetar med hög hastighet eller har betydande tröghet. En abrupt frånkoppling av matningen (STO) leder till lång utrullning eller kraftiga mekaniska ryck vid ett plötsligt stopp. I stället bromsar SS1 dynamiskt med motorn – vilket ofta gör att man stannar snabbare än med enbart friktion – och gör det dessutom övervakat, alltså säkert för mekaniken.

Exempel? Cirkelsågar, slipmaskiner, centrifuger, mekaniska pressar – generellt bör maskiner med hög roterande energi stoppas med SS1. Föreställ dig en stor bandsåg: när man trycker STOP lägger frekvensomriktaren in en bromsramp och reducerar snabbt sågbladets varvtal. När sågen har stannat kopplas momentet bort (STO) och maskinen förblir säkert stillastående. På så sätt blir stoppet mycket snabbare än att vänta på att sågen ska stanna av sig själv, samtidigt som det inte finns risk att skada drivningen eller materialet genom ett plötsligt ryck – bromsningen sker under full kontroll av systemet.

Det är värt att känna till att standarden SS-EN 61800-5-2 tillåter olika sätt att realisera SS1. Drivtillverkare erbjuder t.ex. varianten SS1-r (ramp monitoring) – där systemet övervakar bromsrampen och aktiverar STO när hastigheten sjunker under en fastställd tröskel – eller SS1-t (time controlled), där STO aktiveras efter en bestämd tid, oberoende av hastigheten. Oavsett implementering är målet detsamma: att stoppa rörelsen så snabbt som det är säkert möjligt och i slutet koppla bort energin. SS1 kräver vanligtvis mer avancerad styrning (t.ex. en säkerhetsmodul i frekvensomriktaren eller en safety PLC), men de flesta moderna drivningar har redan dessa funktioner som standard eller som tillval.

För övrigt är SS1 ett vanligt val för att uppnå nödstopp i kategori 1 – till exempel när man trycker på svampknappen och maskinen ska bromsa kontrollerat i stället för att spänningen bryts direkt. Ett sådant nödstopp med kontrollerad inbromsning krävs när en omedelbar frånkoppling av matningen skulle kunna öka risken (t.ex. att material kan kastas ut ur en snabbt roterande trumma). I praktiken implementeras det så att när E-STOP aktiveras ger säkerhetsstyrningen en bromsorder till frekvensomriktaren (SS1-ramp), och om hastigheten inte har sjunkit till noll inom en angiven tid – så bryts matningen ändå, för säkerhets skull. Det hänger ihop med att nödstoppet alltid måste fungera, även om bromsningen fallerar. Säkerhetssystemets konstruktör bör förutse ett sådant scenario.

Safe Stop 2 (SS2) – stopp med positionshållning

Då återstår den tredje funktionen – Safe Stop 2 (SS2). SS2 är i viss mån en vidareutveckling av SS1. Den genomför också stopp i två faser (inbromsning + säkert stillestånd), men skillnaden är att vi inte kopplar bort matningen efter att motorn har stannat. I stället för att gå över till STO håller drivsystemet aktivt moment på motorn vid noll hastighet, med hjälp av funktionen SOS (Safe Operating Stop). Med andra ord stannas motorn säkert i en bestämd position, och den positionen övervakas och hålls kontinuerligt av styrsystemet. Ett sådant säkert stillestånd under spänning motsvarar ett kontrollerat stopp i kategori 2, som nämndes tidigare.

Vad ger det oss? Framför allt – snabb omstart av maskinen. Eftersom motorn hela tiden är spänningssatt (om än vid noll hastighet) kan rörelsen återupptas omedelbart utan extra procedurer. Som jämförelse: efter SS1 (kategori 1) går systemet över till STO, så för att starta igen måste man först åter tillåta matning till drivsystemet, vilket kan ta tid (kräver återställning av säkerhetssystemet osv.). SS2 eliminerar den fördröjningen – rörelsen kan frikopplas i princip direkt när säkerhetsvillkoren tillåter det.

SS2 används där maskinen eller en del av den bara ska stå stilla en kort stund och vi vill kunna återuppta den snabbt, eller där ett stillestånd i beredskap för fortsatt drift krävs. Ofta beror det på processens karaktär eller behovet av regelbundna, korta operatörsingrepp. Ett exempel kan vara en produktionslinje där operatören med jämna mellanrum måste gå fram och rengöra något, justera en givare eller ta bort en defekt produkt. I stället för att stänga av hela maskinen (och sedan mödosamt starta upp den igen) kan man använda SS2: linjen stannar kontrollerat och ligger kvar i säkert stillestånd, operatören gör sitt i en minut och kör sedan vidare utan full omstart. Ett annat exempel är kalibrering av ett visionsystem på en maskin – man stoppar transportören på en exakt bestämd position, och kameran förblir påslagen och redo att fortsätta arbeta efter justeringen.

I tillämpningar som robotik eller montering används SS2 ibland för så kallat stopp i beredskapsläge – roboten stannar i en bestämd position och håller den (t.ex. med verktyget över detaljen) under ett kort avbrott, och fortsätter sedan utan att behöva kalibreras om. Det är dock viktigt att komma ihåg att systemet förblir spänningssatt – därför används SS2 inte för nödstopp, utan för kontrollerade stopp vid planerade avbrott eller servicelägen. Standarder kräver tydligt att man vid en nödsituation ändå ska koppla bort matningen (STO eller SS1).

Ur teknisk synvinkel kräver implementering av SS2 att drivsystemet har funktion för övervakning av hastighet och position (SOS) och är certifierat för att hålla moment i stillastående. Många moderna drivsystem har den möjligheten – till exempel kan servodrifter med säkerhetsmoduler själva detektera om motorn står stilla och hålla den säkert i en angiven position. Om det finns risk att lasten ändå börjar röra sig (t.ex. på grund av gravitation i en vertikal axel) använder man vanligtvis dessutom en mekanisk broms för full säkerhet. SS2 befriar oss inte från att ta hänsyn till fysiken – att ström går till motorn för att hålla positionen räcker inte alltid vid till exempel ett allvarligt fel. Vanligtvis händer dock inget under korta stopp, och man vinner i driftskontinuitet.

Räcker SS1 i tillämpningar med stor tröghet?

Dags att besvara frågan som många konstruktörer ställer sig: räcker det att använda SS1 i system med stor tröghet, eller behövs något mer? Stor tröghet (inerti) innebär att maskinen lagrar mycket rörelseenergi – och därför är den svårare att stoppa snabbt. Intuitionen säger att enbart STO inte skulle räcka, eftersom tunga delar skulle fortsätta rulla länge. SS1 framstår därför som ett minimum för att aktivt bromsa drivsystemet. Och i de flesta fall är SS1 den gyllene standarden för maskiner med stor tröghet – den ger snabbast stopp eftersom drivsystemet arbetar som en broms. De exempel som nämndes tidigare (sågar, centrifuger, pressar) är just maskiner med betydande roterande massa, där SS1 i praktiken är en nödvändighet.

Men räcker SS1 alltid till? Det beror på omständigheterna. SS1 garanterar att rörelsen stoppas, men när inbromsningen är klar kopplas matningen bort (STO). Om applikationen bara ska stoppa en tung mekanism och vänta tills operatören tar bort detaljen eller fyller på råmaterial, så uppfyller SS1 sannolikt uppgiften fullt ut – maskinen stannar säkert och frånkopplad effekt förhindrar obehagliga överraskningar. Det enda vi måste säkerställa är att drivsystemet och dess komponenter är dimensionerade för att ta upp bromsenergin (t.ex. rätt bromsmotstånd i frekvensomriktaren, så att den inte skadas när stora energimängder ska dissiperas). Konstruktören av industriell automation bör verifiera att frekvensomriktaren/servodriften har tillräcklig bromskapacitet för den aktuella trögheten – ett vanligt misstag är att säkerhetsfunktionen fungerar, men att drivningen larmar överlast när man försöker bromsa ett tungt svänghjul.

Den andra frågan är vad som händer efter stoppet. Om systemet har stor tröghet men stannar i ett stabilt läge (t.ex. en horisontellt liggande rulle som helt enkelt slutar rotera), är det inga problem. Men i maskiner där en stor massa kan förflytta sig av yttre krafter (till exempel gravitation), kan SS1 ensam vara otillräckligt – eftersom lasten kan börja röra sig när systemet går över till STO. Exempel: en stor transportör som lutar i vinkel – med stor massa i band och gods. Vi bromsar den med motorn (SS1), men när effekten bryts finns en risk att gravitationen sätter bandet i rörelse nedåt. I sådana situationer måste man komplettera med en mekanisk rörelsespärr. Det kan vara den tidigare nämnda bromsen SBC, som vid spänningsbortfall slår till och håller positionen. Utan detta går det inte – enbart en elektrisk funktion kan inte upphäva fysikens lagar. Med andra ord: SS1 måste kompletteras med mekaniska åtgärder när applikationen kräver det.

Kan SS2 vara bättre vid stor tröghet? SS2 håller ju momentet, så risken att lasten släpper finns inte. Det stämmer: SS2 ger aktiv positionshållning efter stopp, vilket är fördelaktigt t.ex. för vertikala axlar med last. I de flesta fall använder man ändå en mekanisk broms där som extra säkring. SS2 är däremot användbart när man vill kunna starta om snabbt – alltså om den tunga enheten ofta ska starta från stillastående och man inte vill behöva återställa drivningen varje gång. Stor tröghet i sig kräver inte SS2, men den kräver kontrollerad inbromsning – och det ger SS1. Sammanfattningsvis: i maskiner med stor tröghet räcker SS1 med ett välkonstruerat bromssystem oftast helt och hållet, förutsatt att man tar höjd för extra bromsar på axlar som annars skulle kunna röra sig av sig själva. SS2 kan läggas till om vinsten med snabbare omstart är viktig, eller om ett stopp i beredskap krävs (men det är då en fråga om processen, inte om trögheten i sig).

STO, SS1 och SS2 är tre olika svar på frågan hur man stoppar en maskin på ett säkert sätt. Var och en av dessa funktioner har sin plats i automationsingenjörens verktygslåda. STO bryter energin omedelbart – enkelt och tillförlitligt, men låter maskinen rulla ut av rörelseenergin. SS1 lägger till kontrollerad bromsning, vilket gör stoppet snabbare och skonsammare för mekaniken, och efter stoppet är maskinen spänningslös. SS2 stoppar i sin tur lika snabbt som SS1, men håller maskinen under kontroll med spänning på, redo att starta om på ett ögonblick.

Vid konstruktion av säkra styrsystem är det klokt att utgå både från standarder (SS-EN 61800-5-2 beskriver dessa funktioner i detalj), och från sunt förnuft samt riskanalys. Dokumenten visar vad som krävs juridiskt, men det är vi – som integratörer av industriell automation – som måste anpassa lösningen till den konkreta maskinen. Ibland är det enklaste STO bäst (färre saker som kan gå sönder!), och ibland kommer man ingenstans utan SS1, eftersom utrustningen annars skulle kunna skadas vid ett nödstopp. I andra situationer uppskattar man SS2, som minskar stillestånd och gör att man snabbt kan återuppta arbetscykeln.

Avslutningsvis: ingen av dessa funktioner gör mirakel om den är felkonstruerad eller används på ett sätt som inte är avsett. Man måste säkerställa rätt komponenter (frekvensomriktare med STO/SS1/SS2-certifiering, givare, säkerhetsstyrningar), korrekt konfiguration och regelbundna tester. Det är också värt att överväga utbildningar inom normer och standarder (t.ex. Dyrektywa Maszynowa 2006/42/EC, SS-EN ISO 13849-1, SS-EN 62061), eftersom regelkunskap går hand i hand med ingenjörspraktik. Vi hoppas att den här artikeln har kastat lite ljus över dilemmat STO vs SS1 vs SS2. Nästa gång du ska konstruera ett säkert stopp för en maskin kan du göra ett medvetet val av bästa alternativ – och framför allt säkerställa maximal säkerhet utan att kompromissa med processen. Lycka till i projekten och alltid säkert arbete!