BAB 2 LANDASAN TEORI
2.1 PLC (Programmable Logic Controller) Sumber : PT OMRON Elektronik (2003), “PLC Basic Training Manual”. Sebelum adanya Programmable Logic Controller (PLC), sudah banyak peralatan kontrol sekuensial, semacam cam shaft dan drum. Ketika relay muncul, panel kontrol dengan relay menjadi kontrol sekuens yang utama. Ketika transistor muncul, solid state relay diterapkan pada bidang dimana elektromagnetik tidak cocok diterapkan seperti untuk kontrol dengan kecepatan tinggi. Sekarang sistem kontrol sudah meluas sampai ke keseluruhan pabrik dan sistem kontrol total dikombinasikan dengan umpan balik, pemrosesan data dan sistem monitor terpusat.
2.1.1 Komposisi PLC Sumber : PT OMRON Elektronik (2003), “PLC Basic Training Manual”. Komposisi PLC terdiri dari: 1.
Komponen hardware PLC
o CPU Central Processing Unit sebagai unit pemrosesan utama. o Power Supply Berfungsi sebagai sumber tegangan.
8
o Memory Berfungsi sebagai penyimpan program dan data. o Input Berfungsi sebagai penerima sinyal dari peralatan input seperti sensor, switch, dan sebagainya untuk diproses pada CPU. o Output Berfungsi sebagai pengirim sinyal hasil pemrosesan dalam CPU untuk dikirim ke peralatan output seperti solenoid, motor, dan sebagainya. o Programming Device Alat pemrogram yang berfungsi untuk menuliskan dan memonitor program dalam PLC seperti Programming Console dan komputer. 2.
Komponen software PLC Program PLC yang berbentuk Ladder Diagram atau Kode Mneumonic yang dituliskan ke dalam PLC dengan menggunakan Programming Device.
Contoh ladder Logic pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 Ladder Logic, Sumber : Automating Manufacturing Sistems with PLCs.
9
2.1.2
Operasi PLC
Sumber : http://www.plcs.net/chapters/howworks4.htm Sebuah PLC bekerja dengan cara menelusuri (scanning) program yang telah dimasukkan sebelumnya. Siklus penelusuran biasanya lebih dari 3 tahap, tetapi difokuskan pada bagian yang penting saja. Bagian-bagian lainnya hanya memeriksa sistem dan meng-update pencacah internal (updating internal counter) dan nilai timer. Berikut ini adalah 3 tahap penting dari siklus penelusuran PLC seperti yang dapat dilihat pada gambar 2.3.
Gambar 2. 2. Siklus penelusuran PLC
Proses operasi PLC adalah sebagai berikut : 1. Periksa status masukan (check input status) Pada langkah ini, PLC melihat keadaan setiap masukan yang ada untuk menentukan kondisi setiap masukan tersebut apakah pada keadaan aktif atau non-aktif. Dengan kata lain, apakah sensor yang terhubung dengan masukan pertama
10
aktif/tidak aktif, masukan kedua aktif/tidak aktif, dst. PLC akan menyimpan data masukan tersebut ke memori untuk dapat digunakan pada langkah berikutnya. 2. Eksekusi program (execute program) Pada langkah kedua, PLC akan mengeksekusi program yang tersimpan di dalam memori per instruksi. Misalkan program menginginkan jika masukan pertama aktif, maka program tersebut harus mengaktifkan keluaran pertama. Dikarenakan program yang ada telah mengetahui masukan-masukan mana saja yang aktif/tidak aktif dari langkah sebelumnya, maka program tersebut akan menentukan apakah keluaran pertama harus diaktifkan atau dimatikan berdasarkan kondisi dari masukan pertama yang diterimanya. Setelah itu, program akan menyimpan hasil eksekusi tersebut dengan tujuan untuk dapat digunakan pada langkah selanjutnya. 3. Perbaharuan status keluaran (update output status) Pada langkah terakhir ini, PLC memperbaharui kondisi keluaran berdasarkan masukan mana yang aktif pada langkah pertama dan hasil eksekusi program yang dimasukkan pada langkah kedua. Berdasarkan contoh pada langkah kedua, PLC akan mengaktifkan keluaran pertama karena masukan pertama sudah aktif dan program menginstruksikan agar keluaran pertama diaktifkan pada saat kondisi ini benar. Setelah langkah ini dilalui, PLC akan kembali ke langkah pertama dan menelusuri ulang langkah-langkah tersebut secara terus menerus.
Satu kali
penelusuran dapat diartikan sebagai waktu yang diperlukan untuk mengeksekusi 3 langkah diatas.
11
2.1.3
Diagram Ladder
Sumber
:
http://www.delta.com.tw/products/plc/pdf/Manual%20Online/PLC-
A/chapter1.pdf Pada sebuah PLC, diagram kontrol yang digunakan adalah diagram ladder. Diagram ladder adalah sebuah bahasa diagram pengendali otomatis yang menggunakan simbol-simbol. Pada awalnya diagram ladder hanya terdiri dari komponen dasar seperti kontak A (NORMALLY OPEN), kontak (NORMALLY CLOSE), kumparan keluaran, timer, pencacah, dan lain-lain. Selain itu ada juga perintah-perintah aritmatika yang digunakan seperti penjumlahan, pengurangan, perkalian, dan pembagian.
Simbol-
simbol diagram ladder dapat dilihat pada tabel 2.1.
Tabel 2. 1. Simbol-simbol diagram ladder Normally Open
LD
Normally Close
LDI
Serial Normally Open
AND
Paralel Normally Open
OR
12
Paralel Normally Close
ORI
Rising Edge Trigger Switch
LDP
Falling Edge Trigger Switch
LDF
Rising Edge Trigger In ANDP Serial Falling Edge Trigger In ANDF Serial Rising Edge Trigger In ORP Paralel
Falling Edge Trigger In ORF Paralel
Block In Serial
ANB
Block In Paralel
ORB
Output Command Of Coil
OUT
13
Drive MPS Multiple Output
MRD MPP
Step Ladder
STL Application
Basic Command Command Inverse Logic
INV
Keterangan : A masukan/tombol start B Normally Close (NC) C Normally Open (NO) Y keluaran/relay X keluaran/relay
Gambar 2. 3. Rangkaian Diagram Ladder
Pada gambar 2.8, keluaran X tidak akan aktif jika salah satu dari relay A atau C tidak aktif. Dan keluaran Y akan aktif hanya jika relay A dan C dalam keadaan aktif.
14
2.1.4
Statement List
Sumber : http://www.plcman.co.uk/stl/page2.html Selain menggunakan diagram ladder, sebuah PLC juga dapat diprogram dengan menggunakan instruksi yang umum dikenal dengan Instruction List ( IL ), Instruction Statement ( IS ), atau Statement List ( STL ).
Gambar 2. 4. Diagram Ladder
Pada gambar 2.9, dapat dilihat bahwa untuk menghasilkan output Q = 10.0 , maka diperlukan input sebagai berikut :
10.0 10.1
Operasi AND diwakili dengan huruf ‘A’, operasi LOAD diwakili huruf ‘LD’dan operasi EQUAL diwakili dengan ‘=’ (baca: sama dengan).
Selain itu, operasi OR
biasanya juga diwakili dengan huruf ‘O’. Penggunaan huruf besar dan huruf kecil dalam perlambangan tersebut umumnya tidak menjadi masalah.
15
Selain itu, gerbang pertama dari suatu diagram ladder dapat diwakili dengan huruf ‘LD’ yang berarti LOAD. Dan gerbang akhir yang merupakan keluaran dari sebuah diagram ladder diwakili dengan huruf ‘OUT’. Untuk contoh kasus pada gambar 2.9, pernyataan operasinya dapat juga ditulis seperti berikut ini.
LD 10.0 A 10.1 OUT Q10.0 Jika ingin meng-invers sebuah operasi, tambahkan saja statement ‘NOT’ pada akhir sebuah statement. Contohnya dapat dilihat berikut ini dimana invers dilakukan pada statement pertama (LOAD) menjadi ‘LD N’ (LOAD NOT).
LD N 10.0 A 10.1 OUT Q10.0
Pada umumnya, perangkat lunak yang digunakan untuk memprogram sebuah PLC, dapat merubah bahasa pemrograman yang digunakan baik dari diagram ladder ke statement list maupun sebaliknya. Namun perlu diingat, tidak semua diagram ladder dapat dirubah menjadi statement list dan begitu juga sebaliknya.
16
2.1.5 Keuntungan PLC Sumber : PT OMRON Elektronik (2003), “PLC Basic Training Manual”. Keuntungan PLC dalam sistem otomatisasi diantaranya: 1. Implementasi proyek lebih singkat Didalam PLC menyediakan banyak relay dan gate, sehingga mudah untuk implementasinya karena tidak perlu membuat rangkaian konvensional lagi. 2. Modifikasi lebih mudah tanpa tambahan biaya Untuk penambahan atau perubahan fungsi baru tidak diperlukan biaya tambahan lagi. 3. Biaya proyek dapat dikalkulasi secara tepat Biaya dapat dikalkulasi dengan tepat karena PLC dapat mengerjakan banyak fungsi yang seharusnya dikerjakan oleh banyak controller sehingga tidak perlu mengeluarkan tambahan biaya untuk mengcover jika diperlukan tambahan controller baru. 4. Training lebih cepat Trainning lebih cepat karena bahasa yang digunakan dalam PLC relatif lebih mudah dipahami oleh teknisi dibandingkan dengan dengan mesin yang biasa digunakan untuk mengisi program dalam controller. 5. Desain dapat diubah dengan mudah melalui software Perubahan dan penambahan spesifikasi dapat dilakukan ulang melalui software. 6. Rentang besar untuk kontrol aplikasi
17
PLC dapat melakukan banyak control, seperti : o
Kontrol sekuens yang mempunnyai fungsi :
-
Timer / Counter
-
Pengganti logic kontrol relay konvensional
-
Pengganti kontrol PCB card
-
Kontrol mesin Auto / Semi-Auto / Manual dan proses
o
Kontrol kompleks yang mempunyai fungsi :
-
Operasi Aritmatik
-
Penanganan informasi
-
Kontrol servo motor
-
Kontrol stepper motor
o
Kontrol supervisor yang mempunyai fungsi :
-
Proses Monitoring dan Alarm
-
Diagnosa dan monitoring kesalahan
-
Antarmuka dengan komputer
7. Perawatan mudah Indikator input dan output mempercepat dan mempermudah proses Troubleshooting. 8. Kehandalan tinggi PLC mempunyai kehandalan tinggi dibanding sistem konvensional karena disamping PLC lebih tahan lama, PLC juga mempunyai efektifitas kerja yang tinggi dengan selalu menghasilkan output yang tepat dan tetap. 9. Mampu bekerja pada lingkungan yang sulit Beroperasi secara normal dalam kondisi temperatur, kelembapan, fluktuasi tegangan, dan noise yang berat. 18
2.1.6 Software Pemrograman Sumber : PT OMRON Elektronik (2003), “PLC Basic Training Manual”. Pemrograman PLC adalah penulisan perintah-perintah yang harus dilakukan oleh PLC. Pemrograman PLC dapat digunakan menggunakan berbagai macam alat. Selain menggunakan Programming Console, pemrograman PLC saat ini juga banyak dilakukan dengan menggunakan PC (Personal Computer) yang dilengkapi dengan software pemrograman. Software - software yang digunakan dalam pemrograman PLC biasanya terus berkembang sesuai dengan perkembangan hardware PLC. Mulai yang bekerja dengan sistem operasi DOS sampai Windows. Untuk setiap merek PLC memiliki software pemrograman tersendiri. PLC OMRON memiliki software pemrograman PLC tersendiri seperti LSS, SSS, syswin sampai software terbaru CX-Programmer.
2.1.7 Komunikasi data antara komputer dengan PLC Sumber : PT OMRON Elektronik (2001),” CPM1/CPM1A/CPM2A/CPM2C/SRM1(-V2) Programmable Controllers Programming Manual”
PROGRAM READ – RP Perintah ini berfungsi untuk membaca atau mengambil isi program PLC ke komputer. Format perintah dan tanggapan dapat dilihat pada gambar 2.2.
19
Gambar 2.5 Format Program Read. Tanggapan : Program tersebut dibaca dari keseluruhan program area Catatan: Hanya perintah ABORT(XZ) yang dapat digunakan untuk menghentikan operasi yang sedang berjalan.
PROGRAM WRITE – WP Perintah ini digunakan untuk mengirim program ke PLC. Penulisa program hanya dapat dilakukan jika, hanya jika status write pada kondisi mode program serta tidak ada kesalahan pada PLC. Program lama akan hilang bila dimasukkan program baru. Format perintah dan tanggapan dapat dilihat pada gambar 2.3.
20
Gambar 2.6 Format Program Write.
STATUS WRITE – SC Penulisan status digunakan untuk mengubah mode operasi sesuai dengan masukan informasi ke dalam mode data, dapat dilihat pada gambar 2.4.
Gambar 2.7 Format Status Write.
FCS (Frame Check Sequence) Ketika suatu bingkai dikirimkan, suatu FCS ditempatkan tepat sebelum delimiter atau terminator yang digunakan untuk memeriksa kesalahan data telah dihasilkan. FCS adalah 8-bit data yang diubah menjadi dua karakter ASCII. 8-Bit data itu adalah hasil dari suatu perhitungan XOR nilai bit dari ASCII data paling awal sampai data tepat 21
sebelum FCS. Perhitungan FCS akan dilakukan setiap kali suatu bingkai diterima dan mengecek hasil tanggapan terhadap FCS yang digunakan untuk melihat kemungkinan kesalahan data yang dibuat.
Gambar 2.8 Format Perhitungan FCS.
Gambar 2.9 Cara Perhitungan FCS.
2.2. Serial Port Sumber : http://www.camiresearch.com/Data_Com_Basics/RS232_standard.html dan http://www.arcelect.com/rs232.htm. RS232 adalah standard komunikasi serial antar periperal-periperal. Contoh paling sering dipakai adalah antara komputer dengan modem, atau komputer dengan
22
komputer. Standar ini menggunakan beberapa piranti dalam implementasinya. Paling umum yang dipakai adalah plug DB9 atau DB25. Untuk RS232 dengan DB9, biasanya dipakai untuk serial port pada komputer pribadi. Dipakai untuk port mouse dan modem.
Tabel 2.2 Fungsi pin-pin DB9 standar RS232.
2.2 Motor Stepper Sumber : Al-Himaone, http://www.ilmu.8k.com/pengetahuan/stepper.htm. ILMU Web Site Himaone Center Motor stepper adalah perangkat elektromekanis yang bekerja dengan mengubah pulsa elektronis menjadi gerakan mekanis diskrit. Motor stepper bergerak berdasarkan urutan pulsa yang diberikan kepada motor. Karena itu, untuk menggerakkan motor stepper diperlukan pengendali motor stepper yang membangkitkan pulsa-pulsa periodik. Penggunaan motor stepper memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan penggunaan motor DC biasa. Keunggulannya antara lain adalah : 23
o Sudut rotasi motor proporsional dengan pulsa masukan sehingga lebih mudah diatur. o Motor dapat langsung memberikan torsi penuh pada saat mulai bergerak o Posisi dan pergerakan repetisinya dapat ditentukan secara presisi o Memiliki respon yang sangat baik terhadap mulai, stop dan berbalik (perputaran) o Sangat realibel karena tidak adanya sikat yang bersentuhan dengan rotor seperti pada motor DC o Dapat menghasilkan perputaran yang lambat sehingga beban dapat dikopel langsung ke porosnya o Frekuensi perputaran dapat ditentukan secara bebas dan mudah pada range yang luas. Pada dasarnya terdapat 3 tipe motor stepper yaitu: 1. Motor stepper tipe Variable reluctance (VR) Motor stepper jenis ini telah lama ada dan merupakan jenis motor yang secara struktural paling mudah untuk dipahami. Motor ini terdiri atas sebuah rotor besi lunak dengan beberapa gerigi dan sebuah lilitan stator. Ketika lilitan stator diberi energi dengan arus DC, kutub-kutubnya menjadi termagnetasi. Perputaran terjadi ketika gigi-gigi rotor tertarik oleh kutubkutub stator. Berikut ini adalah penampang melintang dari motor stepper tipe variable reluctance (VR):
24
Gambar 2.10. Penampang melintang dari motor stepper tipe (VR) 2. Motor stepper tipe Permanent Magnet (PM) Motor stepper jenis ini memiliki rotor yang berbentuk seperti kaleng bundar (tin can) yang terdiri atas lapisan magnet permanen yang diselang-seling dengan kutub yang berlawanan (perhatikan gambar 2.11). Dengan adanya magnet permanen, maka intensitas fluks magnet dalam motor ini akan meningkat sehingga dapat menghasilkan torsi yang lebih besar. Motor jenis ini biasanya memiliki resolusi langkah (step) yang rendah yaitu antara 7,50 hingga 150 per langkah atau 48 hingga 24 langkah setiap putarannya. Berikut ini adalah ilustrasi sederhana dari motor stepper tipe permanent magnet:
25
Gambar 2.11. Ilustrasi sederhana dari motor stepper tipe (PM) 3. Motor stepper tipe Hybrid (HB) Motor stepper tipe hibrid memiliki struktur yang merupakan kombinasi dari kedua tipe motor stepper sebelumnya. Motor stepper tipe hibrid memiliki gigi-gigi seperti pada motor tipe VR dan juga memiliki magnet permanen yang tersusun secara aksial pada batang porosnya seperti motor tipe PM. Motor tipe ini paling banyak digunkan dalam berbagai aplikasi karena kinerja lebih baik. Motor tipe hibrid dapat menghasilkan resolusi langkah yang tinggi yaitu antara 3,60 hingga 0,90 per langkah atau 100-400 langkah setiap putarannya. Berikut ini adalah penampang melintang dari motor stepper tipe hibrid:
26
Gambar 2.12. Penampang melintang dari motor stepper tipe hibrid Berdasarkan metode perancangan rangkain pengendalinya, motor stepper dapat dibagi menjadi jenis unipolar dan bipolar. Rangkaian pengendali motor stepper unipolar lebih mudah dirancang karena hanya memerlukan satu switch / transistor setiap lilitannya. Untuk menjalankan dan menghentikan motor ini cukup dengan menerapkan
pulsa
digital yang hanya terdiri atas tegangan positif dan nol (ground) pada salah satu terminal lilitan (wound) motor sementara terminal lainnya dicatu dengan tegangan positif konstan (VM) pada bagian tengah (center tap) dari lilitan (perhatikan gambar 2.12).
27
Gambar 2.13. Motor stepper dengan lilitan unipolar Untuk motor stepper dengan lilitan bipolar, diperlukan sinyal pulsa yang berubah-ubah dari positif ke negatif dan sebaliknya. Jadi pada setiap terminal lilitan (A & B) harus dihubungkan dengan sinyal yang mengayun dari positif ke negatif dan sebaliknya (perhatikan gambar 2.13). Karena itu dibutuhkan rangkaian pengendali yang agak lebih kompleks daripada rangkaian pengendali untuk motor unipolar. Motor stepper bipolar memiliki keunggulan dibandingkan dengan motor stepper unipolar dalam hal torsi yang lebih besar untuk ukuran yang sama.
28
Gambar 2.14. Motor stepper dengan lilitan bipolar
Sumber : Industrial circuits application note, “Stepper Motor Basic”, motorbas.pdf, http://users.pandora.be/educypedia/electronics/motorstep.htm. Stepping mode : o Wave drive o Full Step Drive o Half Step Drive
Gambar 2.15 Excitation Sequence
29
Sumber : http://www.sanyodenki.co.jp/product/newstep/step_e.htm#sups. Motor stepper yang dipakai adalah 03-548-0250 2k945 3ohm, 1,8 Deg/Step dengan dimensi 4,1 x 4,1 Cm. Stepper motor tersebut dibuat oleh Sanyo Denki. Motor ini mempunyai 5 kabel yaitu coklat, hitam, oranye, kuning dan merah dimana merah sebagai common power.
Gambar 2.16 Motor stepper.
Sumber: Wirz Electronics (1998), http://www.wirz.com/stepper/ Terdapat tiga tipe Pergerakan yaitu Full Stepping, Half Stepping, dan Micro Stepping. Bipolar Full Step:
Gambar 2.17 Bipolar full Step Unipolar Full Step:
Gambar 2.18 Unipolar full Step 30
Bipolar Half Step:
Gambar 2.19 Bipolar Half Step
Unipolar Half Step:
Gambar 2.20 Unipolar Half Step
31
