BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Motor Stepper Aktuator adalah bagian yang befungsi sebagai penggerak yang bekerja berdasarkan dari suatu perintah yang diberikan oleh suatu masukan yang disebut input. Salah satu contoh jenis dari aktuator listrik yaitu Motor Stepper, dimana motor stepper dapat meningkatkan kecenderungan terhadap kendali digital dari mesin-mesin dan berfungsi menghasilkan suatu permintaan untuk peranti-peranti mekanis
serta
mampu
mengirimkan
gerakan-gerakan
yang
incremental
(diperhitungkan) dengan ketelitian yang dapat diprediksi. Motor Stepper adalah salah satu alat mesin listrik yang mengubah sinyalsinyal listrik ke dalam gerakan mekanis diskrit. Batang atau spindel dari suatu motor stepper berputar disebabkan kenaikan-kenaikan langkah diskrit ketika sinyal listrik berada di dalam urutan yang tepat. Penggunaan motor stepper memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan penggunaan motor DC biasa, keunggulannya antara lain adalah: 1. Sudut rotasi motor proporsional dengan pulsa masukan sehingga lebih mudah diatur. 2. Motor dapat langsung memberikan torsi penuh pada saat mulai bergerak. 3. Posisi dan pergerakan repetisinya dapat ditentukan secara presisi. 4. Memiliki respon yang sangat baik terhadap mulai, stop dan berbalik (perputaran). 5. Sangat realibel karena tidak adanya sikat yang bersentuhan dengan rotor seperti pada motor DC. 6. Dapat menghasilkan perputaran yang lambat sehingga beban dapat dikopel langsung ke porosnya. 7. Frekuensi perputaran dapat ditentukan secara bebas dan mudah pada range yang luas.
7
8
2.1.1 Prinsip Umum Kerja Motor Stepper 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 rangkaian pengendali yang membangkitkan pulsa-pulsa periodik. Dengan kombinasi bit tertentu, arah perputaran dapat searah jarum jam maupun berlawanan arah jarum jam, tergantung konfigurasi bit yang diberikan. Torsi motor stepper tidak sebesar motor DC, namun motor ini mempunyai tingkat presisi yang sangat tinggi dalam gerakannya. Kecepatan gerak motor ini dinyatakan dalam step per second atau jumlah step gerakan dalam setiap detiknya, dapat dilihat pada Gambar 2.1 di bawah ini yaitu jika pulsa periodik naik menandakan step pulsa ON maka putaran motor akan bergerak sebanyak pulsa periodik yang diberikan.
Gambar 2.1 Grafik timing chart.
Cara kerja stepper motor didasari dengan prinsip magnet dasar yaitu seperti kutub magnet. Jika lilitan stator pada Gambar 2.2 (a) setelah diberi energi maka lilitan stator A adalah kutub selatan, stator B adalah kutub utara, dan rotor permanent magnet (PM) diposisikan seperti pada Gambar 2.2 (a), maka torsi motor akan bertambah seiring pergerakan rotor ke 180º. Maka hal tersebut akan menjadi tidak mungkin untuk menentukan arah dari putaran dan
9
dalam rotor tidak akan bergerak seperti yang telah dikatakan tadi jika gayanya stabil. Jika yang terjadi seperti dalam Gambar 2.2 (b), dua kutub stator tambahan C dan D dipasang dan diberi energi seperti terlihat dalam Gambar, maka selanjutnya dapat memprediksi arah dari putaran rotor. Seperti Gambar 2.2 (b) arah putaran rotor akan konstan searah jarum jam dengan rotor sejajar dengannya antara ”rata-rata” pole selatan dan ”rata-rata” pole utaradan terus bergerak seperti diperlihatkan dalam Gambar 2.2 (c).
Gambar 2.2 Cara kerja motor stepper didasari dari prinsip magnet dasar.
Pada dasarnya terdapat 3 tipe motor stepper yaitu: 1. Motor stepper tipe Variable reluctance (VR). 2. Motor stepper tipe Permanent Magnet (PM). 3. Motor stepper tipe Hybrid (HB).
2.1.1.1 Variable-reluctance (VR) Motor stepper jenis ini telah lama ada dan merupakan jenis motor yang secara struktural paling mudah untuk dipahami. Ketika lilitan stator diberi energi dengan arus DC, kutub-kutubnya menjadi termagnetasi. Perputaran terjadi ketika-gigi-gigi rotor tertarik oleh kutub-kutub stator.
10
Variabel reluktansi motor adalah sebuah stator, yang merupakan bagian dari wound poles (kutub). Rotor berbentuk silinder. Untuk bagian dari gigi memiliki hubungan dengan kutub stator dan dengan gigi itu sendiri (stator tidak boleh memiliki gigi). Nomor dari gigi akan menentukan perbedaan sudut yang dibutuhkan. Tipe sebuah motor VR ditunjukan pada Gambar 2.3 dimana aliran arus sudah layak mengaliri lilitan kumparan motor. Tenaga putar (sumber Listrik) akan menghasilkan langkah yang berupa pemutar rotor pada posisi tidak terhubung garis edar minimum magnet. Pada posisi ini listrik statis akan menjadi stabil pada tenaga putar tanpa tekanan yang diperlukan untuk memindahkan rotor dari posisi stabil. Partikular ini tidak akan berada pada satu posisi tetap (absolut). Pada rata-rata motor banyak posisi stabil memberi energi untuk stator, yang mana sebuah perbedaan energi akan mengatur lilitan untuk tidak terhubung pada sumber stator yang akan mengubah medan magnet karena rotor pada posisi yang baru, dapat dilihat pada Gambar 2.3 langkah VR motor.
Gambar 2.3 Langkah VR motor (potongan melintang stator memperlihatkan lilitan berfasa tunggal yang lengkap). a. Fasa Tiga melilit. b. Pemasangan kawat koreksi Fasa Tiga.
11
Pemilihan urutan energizing yang tepat dari lilitan membuat posisi-posisi yang stabil dan berputar dengan lembut di daerah kutub stator serta menentukan kecepatan putaran dan pengaturan pada rotor. Ketika kutub yang diberi tenaga posisi rotor perlahan mengubah kutub energisasi kumparan. Pembangkitan yang rangkap (selalu dua kumparan didalamnya) sering digunakan adalah karena memiliki tenaga putaran yang lebih tinggi. Tidak seperti stepper Permanent Magnet (PM), stepper Variable Reluctance (VR) memilki sisa kemagnetan. Maka rotor dari stepper VR dalam keadaan pentahanan tenaga putaran (detent torque) menjadi tidak kuat ketika stator tidak diberi tenaga. Sudut langkah ditentukan oleh nomor dari stator dan gigi rotor (bervariasi dari 7.5º sampai 30º).
2.1.1.2 Permanent magnet (PM) Yang membedakan keistimewaan dari PM mesin penggerak adalah dari penggabungan sebuah magnet permanen, biasanya di dalam kumparan rotor, untuk keluaran yang lebih baik, lebih dari empat kutub stator yang ditambahkan, lalu gigi mesin di atas setiap kutub stator, dan juga di atas rotor. Nomor gigi di atas rotor dan stator menunjukan segi langkah yang akan didapatkan dalam setiap satuan waktu. Polaritas dari perubahan arah angin (Gaya), memberikan reaksi langkah bagian batang mesin sehingga terjadi pertambahan waktu untuk perubahan muatan kutub. Cara untuk mengubah kutub menjadi seimbang, kurang lebih di peroleh dari perputaran batang atau tambahan untuk mengetahui segi langkahnya. Langkah PM mengoprasikan jenis-jenis mesin oleh pengaruh timbal balik diantara magnet penggerak yang terus menerus berubah, ring dan kekuatan medan magnet oleh stator dapat membangkitkan tenaga listrik. Jika susunan dari energi medan yang sesuai, maka sebuah rangkaian akan stabil dari keseimbangan arah medan, sehingga akan menghasilkan tenaga listrik disekitar masin.
12
Jika arah putaran membangkitkan rangkaian rotor maka akan mengikuti perubahan titik dari kesetimbangan dan perputaran dapat memberi reaksi untuk mengubah susunan, sebagai petunjuk Gambar 2.4.
Gambar 2.4 Rangkaian Permanent Magnet. a. Diagram menurut bagan. b. Menswitch urutan. c. Bentuk gelombang.
Berdasarkan magnet tetap pada motor, terdapat suatu tenaga putaran yang digerakkan ke dalam gulungan motor walaupun gulungan pada stator tidak akan menghasilakan rugi-rugi. Energi putaran dapat diperoleh dengan cara memutar suatu PM stepper dengan tangan. Tenaga putaran dapat dihasilkan pada motor jika motor dipindahkan dari posisi yang mempunyai nilai hambatan minimum (dimasukan
ke
dalam
suatu
persamaan
rangkaian
DC)
yang
menyebabkan magnet tetap mengalami perubahan secara terus-menerus. Tenaga putaran ini lebih banyak dibandingkan tenaga putaran tenaga normal dan hanya sebagian kecil persen saja dari tenaga putaran yang maksimum. Pada Gambar 2.5 memperlihatkan bentuk prinsip dasar kerja dari rotor PM motor.
13
Gambar 2.5 Prinsip dasar dari PM motor.
2.1.1.3 PM-hybrid (HB) Motor stepper Hybrid lebih mahal dibandingkan PM – motor stepper, namun dengan penampilan yang lebih baik termasuk pengaruh resolusi langkah, torsi dan kecepatan. Ciri khas dari sudut langkahnya berkisar dari 36° hingga 0.9° (dengan 100 – 400 langkah per putaran).
Gambar 2.6 Penampang melintang Stepper Hybrid.
Motor stepper Hybrid merupakan perpaduan bagian terbaik dari kedua motor stepper, PM dan VR. Rotornya bergigi banyak seperti VR dan pada bagian axis berisi magnet konsentrik di sekitar batangnya. Gigi di rotor memberikan lintasan yang lebih baik untuk membiarkan fluks magnet memilih tempat yang disukai di dalam airgap. Hal ini berlanjut pada
ketahanan
dan
karakteristik
torsi
dinamis
membandingkannya dengan kedua jenis motor yang lain.
ketika
akan
14
2.2 Motor Stepper Tipe Vexta Fasa Lima Motor-motor Stepper masuk ke berbagai macam ukuran, tipe-tipe dan gaya-gaya. Prinsip yang dasar untuk semua adalah sama, dan mereka jatuh masuk ke salah satu dari tiga jenis yang dibahas. Mereka mungkin sedikitnya mempunyai fasa dua lilitan, atau banyaknya fasa sepuluh lilitan. Tipe motor stepper yang paling sering digunakan adalah PM dan Hybrid. Jika pembuat tidak yakin dengan tipe yang akan dipilih sebaiknya disesuaikan dengan aplikasinya. Motor yang akan digunakan di dalam aplikasi ini adalah motor stepper dengan Fasa Lima lilitan, hasil pabrikan oleh perusahaan Oriental Motor.
Gambar 2.7 Hubungan antara fasa lima lilitan.
Motor tipe ini yang akan digunakan dalam pengerjaannya, adalah salah satu tipe motor masuk dalam kategori tipe PM-Hybrid. Gambar 2.8 di bawah menunjukkan struktur motor stepper yang terdiri dari dua panampang melintang dari motor stepper fasa lima lilitan. Motor stepper ini terdiri dari dua bagian yang utama yaitu stator dan rotor. Pada bagian rotor terbagi menjadi tiga komponen: 1. Rotor Cup 1. 2. Rotor Cup 2. 3. Magnet Permanent.
15
Rotor adalah sebuah batang yang terdapat magnet permanen didalamnya pada daerah sekitar axis (shaft rotor) yang ditentukan, sebagai contoh, jika rotor cup 1 akan mengarah ke kutub utara stator, maka rotor cup 2 akan mengarah ke kutub selatan stator. Pada bagian stator mempunyai 10 medan kutub magnetis yang dilengkapi dengan gigi kecil, pada setiap kutubnya dilengkapi dengan suatu lilitan. Masingmasing lilitan dihubungkan kepada lilitan yang lain dengan arah kutub yang berlawanan, maka ketika diberikan arus listrik dengan polaritas arus yang sama untuk kedua pasangan lilitan tersebut akan terjadi suatu medan gaya magnet, seperti halnya yang terjadi pada prinsip dasar cara kerja motor stepper yaitu didasari dengan prinsip magnet dasar, seperti kutub magnet yaitu kutub utara rotor akan mengarah ke kutub selatan stator, dan kutub selatan stator akan mengarah ke kutub utara stator.
Gambar 2.8 Struktur motor stepper fasa lima Tipe PK Series.
Dengan pasangan kutub yang saling berlawanan menjadikan bahan dasar motor berfasa tunggal. Oleh karena itu dilakukan pengembangan terhadap motor berfasa tunggal menjadi jumlah fasa yang lebih banyak, di mulai dari lilitan A sampai E, motor ini disebut "Motor stepper Fasa Lima." Gambar 2.9 (a) menunjukkan struktur motor stepper dengan dua penampang yang saling bersimpangan terhadap rotor.
16
Stator terdiri dari beberapa kutub, makin banyak kutub makin sulit konstruksinya. Setiap kutub memilki lilitan, apabila diberikan arus secara bergilir pada lilitan menyebabkan adanya medan magnet yang akan menarik rotor ikut berputar. Gambar 2.9 (b) menunjukkan daerah kerja lintasan gigi dari motor stepper.
(a)
(b)
Gambar 2.9 (a) Struktur motor dengan dua penampang melintang. (b) Daerah kerja lintasan gigi motor stepper Lima Fasa Tipe PK Series.
Selain motor stepper tersebut lebih mudah diperoleh di pasaran juga memerlukan rangkaian driver yang lebih sederhana seperti yang disajikan dalam aplikasi ini. Penggunaan motor dengan tipe ini membutuhkan rangkaian yang sedikit lebih rumit untuk mengatur agar motor ini dapat berputar dalam dua arah. Biasanya untuk menggerakkan motor stepper jenis ini membutuhkan sebuah driver motor yang sering dikenal sebagai H Bridge. Rangkaian ini akan menontrol tiap-tiap lilitan secara tersendiri (independen) termasuk dengan polaritasnya untuk tiap-tiap lilitan. Motor tipe ini merupakan motor dengan kepresisian yang tinggi dan memiliki getaran motor sangat lembut, motor stepper ini berputar dengan resolusi sebanyak 500 per putaran (0,72°/step).
17
2.3 Rangkaian Pengendali Motor Stepper Dalam aplikasi berikut digunakan sebuah rangkaian pengendali untuk mengoptimalkan dari sistem operasional kerja dari motor stepper yang akan digunakan. Gambar dibawah ini menerangkan tentang skema penggunaan rangkaian pengendalian motor stepper, yaitu ditambah dengan perangkat lain seperti driver, controller, programmable logic controller, dan power supply.
Gambar 2.10 Skema pengendalian motor stepper.
2.3.1 Motor Stepper Motor yang digunakan di dalam aplikasi ini adalah motor tipe Vexta dengan fasa-5 lilitan. Penjelasan tentang motor ini sudah diuraikan pada pembahasan sebelumnya.
2.3.2 Driver (Pengarah) Penggunaan motor stepper tersebut juga memerlukan rangkaian driver yang lebih sederhana seperti yang disajikan dalam aplikasi ini. Rangkaian ini berfungsi untuk mengontrol tiap-tiap lilitan secara independen termasuk dengan polaritasnya untuk tiap-tiap lilitan. Driver ini memiliki beberapa type menurut fungsi dan karekteristiknya tersendiri, pada Gambar 2.11 (a) adalah Driver dengan sumber tegangan arus bolak-balik (AC) yang bersumber tegangan dengan nilai tegangan berkisaran 100-220VAC, dan untuk Gambar 2.11 (b) adalah Driver dengan sumber tegangan arus searah (DC).
18
Gambar 2.11 Motor Stepper dan driver.
2.3.3 Controller (Pengendali) Alat kontrol yang digunakan pada bentuk susunan aplikasi ini adalah tipe SG-8030J. Gambar di atas adalah controller yang akan digunakan pada penerapan aplikasi ini dan penjelasan pengunaan controller ini
menurut
fungsinya. Alat ini berfungsi sebagai berikut: 1. Menentukan dan membatasi fungsi kendali terhadap getaran. 2. Mengatur dan memposisikan tiga pola tahapan kecepatan. 3. Mengatur dan memposisikan limit putaran per detik dalam satuan ”mm”
atau dalam satuan ”derajat” yang dapat di atur secara
langsung terhadap controller tersebut. 4. Mengubah data-data perintah masukan Analog menjadi data Digital yang berfunfsi sebagai pengatur pulsa secara periodik.
Gambar 2.12 Kontrol Motor Stepper Vexta.
19
2.4 Programmable Logic Controller Definisi PLC secara standar adalah perangkat kontroller standarisasi industri bersifat dapat diprogram dengan mudah berdasarkan fungsi logika Boolean (definisi secara standar PLC), atau dapat juga digolongkan menurut arti dari tiap kata PLC, yaitu: 1. Controller adalah Perangkat Standar industri yang berfungsi sebagai penggerak dan pengandalian dari suatu sistem operasional (controller). 2. Programmable yaitu bersifat dapat (mudah) diprogram seecara berulangulang. Artinya bersifat dapat diprogram ulang dengan mengubah atau memodifikasi program dengan mudah dan cepat. 3. Logic yaitu suatu bahasa logika pemograman mengikuti bahasa logika Boolean.
Berikut ini adalah tabel perbedaan sistem kontrol konvensional dengan sistem kontrol PLC. Pada tabel ini memperlihatkan perbedaan terhadap fungsi kerja yang dilakukan oleh perangkat sistem konvensional menurut karakeristik pekerjannya.
Tabel 2.1 Perbedaan Wired Logic dan PLC. Keterangan
Wired Logic
PLC
Peralatan Kontrol (Hardware)
Tujuan Khusus
Tujuan Umum
Sulit
Mudah
Skala Kontrol
Kecil, sedang
Sedang, besar
Periode pelayanan
Beberapa hari
Cepat
Sulit
Mudah
Tergantung desain
Sangat tinggi
Perubahan/penambahan pada operasi khusus
Pemeliharaan (Oleh pemakai dan pembuat) Tingkat keandalan
20
Programmable Logic Controller (PLC) pada dasarnya adalah sebuah komputer yang khusus dirancang untuk mengontrol suatu mesin. Karena pada prinsipnya PLC terdiri dari himpunan beberapa model kontrol yang bergabung dalam suatu alat. Seiring itu juga dikembangkan relay yang dapat beroperasi pada kecepatan yang tinggi yang disebut relay transistor, karena itu PLC memiliki Output Relay Elektromagnetic dan Output Relay Transistor dimana relay transistor berfungsi untuk kontrol kecepatan tinggi seperti High Speed Counter, Pulsa, dll.
Gambar 2.13 PLC dan Programming Console.
Programmable Logic Controller (PLC) dapat melakukan tiga macam tipe kontrol yaitu : 1. Kontrol Sekuensial •
Pengganti relay kontrol logic konvensional.
•
Pewaktu / pencacah.
•
Pengganti Pengontrol Card (PCB).
•
Mesin kontrol Auto / Semi – Auto / Manual dari berbagai proses di industri.
2. Kontrol Canggih •
Operasi Aritmatik.
•
Penanganan Informasi.
•
Kontrol Analog (suhu, tekanan, dan lain – lain).
•
PID (Propotional Integrator Differensiator).
•
Fuzzy Logic.
•
Kontrol motor servo, motor stepper.
21
3. Kontrol Pengawasan •
Proses monitor dan alarm.
•
Monitor dan diagnose kesalahan.
•
Antar muka dengan komputer (RS-232C/RS-442).
•
Antar muka dengan printer /ASCII
•
Jaringan kerja otomatisasi pabrik.
•
Local Area Network.
•
Wide Area Network.
Berdasarkan jumlah input/output yang dimilikinya, secara umum PLC dapat dibagi menjadi tiga kelompok besar, adalah : 1. PLC mikro, dapat dikatagorikan mikro jika jumlah input/output pada PLC ini kurang dari 32 terminal. 2. PLC mini, ukuran mini ini adalah jika PLC tersebut memiliki jumlah input/output antara 32 sampai 128 terminal. 3. PLC large, ukuran ini dikenal PLC tipe rack PLC dapat dikatagorikan sebagai PLC besar jika jumlah input/ output-nya lebih dari 128 terminal.
2.4.1 Prinsip Kerja dari Programmable Logic Controller Saat ini telah banyak industri yang melakukan pengambilan keputusan logic, timing, counter (up/down), rekaman proses sekuensial, operasi aritmatik,
laporan
pengembangan,
penanganan
informasi,
visualisasi, dan throubleshooting. Ada tiga komponen utama yang menyusun PLC yaitu: 1. Central Processing Unit (CPU). 2. Input / Output. 3. Programming Device.
debugging,
22
Gambar 2.14 Bagian proses kerja PLC.
Komponen lainnya seperti power supply, recorder player/tape atau disk, optional remote interconnection, dan optional remote master computer. CPU ini dapat bekerja berdasarkan mikro processor yang bekerja menggantikan fungsi relay, counter, timer, dan sequences. Karenanya programmer bisa membuat rangkaian yang menggunakan fungsi – fungsi relay di atas.
2.4.1.1 Fungsi kerja CPU Fungsi dari CPU adalah mengatur semua proses yang terjadi di PLC, ada tiga komponen utama penyusun CPU ini. 1. Processor 2. Memory 3. Power supply
Interaksi dan menerangkan proses terjadinya antara ketiga komponen ini dapat dilihat pada Gambar 2.15 di bawah ini.
Gambar 2.15 Blok diagram CPU pada PLC.
23
Unit ini berfungsi untuk memanggil, menterjemahkan, dan mengeksekusi program yang tersimpan dalam memori yang berasal dari unit input. Selain itu CPU juga menerima data yang berupa digit biner, aritmatik, dan operasi logika yang datanya disesuaikan dengan instruksi yang disimpan dalam memori. CPU dari sebuah PLC dibangun darisebuah mikroprosessor sebagai rangkaian pemroses sata yang bentuknya kecil dan terdapat dalam sebuah chip silicon tunggal. Selama prosesnya, CPU melakukan tiga operasi utama: 1. Membaca data masukan dari perangkat luar via modul input. 2. Mengeksekusi program kontrol yang tersimpan di memori PLC. 3. Meng-update atau memperbaharui data pada modul output.
Ketiga proses tersebut dinamakan scanning, seperti terlihat pada Gambar 2.16.
Gambar 2.16 Diagram scanning.
2.4.1.2 Unit Input/Output Unit Input/Output pada prinsipnya operasi PLC ini relatif sederhana, yaitu peralatan luar dihubungkan dengan perangkat input/output PLC yang tersedia. Peralatan ini dapat berupa sensor-sensor analog, push button, limit switch, motor starter, solenoid, lampu, dan lain sebagainya.
24
Gambar 2.17 memperlihatkan beberapa peralatan input/output luar yang umum dijumpai dalam aplikasi PLC. Adapun Gambar 2.18 berturut-turut memperlihatkan koneksi yang mungkin dilakukan antara peralatan luar dengan modul input (a) dan modul output (b).
. Gambar 2.17 Beberapa peralatan input/output PLC.
Gambar 2.18 Koneksi peralatan dengan modul I/O PLC.
Programmable Logic Controller (PLC) adalah tipe sistem Kontrol yang memiliki input device yang disebut sensor, kontroller serta output device. Peralatan yang dihubungkan pada PLC yang berfungsi mengirim sebuah sinyal ke PLC disebut Input device. Sinyal input, masuk ke dalam Programmable Logic Controller (PLC) yang disebut sebagai input point. Input point ini di tempatkan di dalam lokasi memori sesuai dengan statusnya on dan off, lokasi memori ini disebut sebagai lokasi bit. CPU di dalam suatu siklus proses yang normal dapat memantau keadaan dari input point dan menjalankan on dan off sesuai dengan input bitnya.
25
Demikian halnya juga dengan output bit dalam memori dimana output poin pada unit ditempatkan, mengirimkan sinyal output ke output device. Output bit akan ‘ON’ untuk mengirimkan sebuah sinyal ke peralatan output melalui output point. CPU secara periodik dapat menjalankan output point ‘ON’ atau ’OFF’ sesuai dengan status dari output bit. Sistem kontrol adalah, programmable logic controller (PLC) dan seluruh peralatan I/O device yang digunakan untuk mengontrol sistem eksternal. Sebuah sensor yang mengirim informasi adalah input device yang merupakan bagian dari sistem kontrol.
Tabel 2.2 Contoh peralatan input, output dan controller dari PLC. Input Device
Controllers
Output Device
Circuit breaker
Alarm
Level switch
Control relay
Limit switch Motor starter Proximity switch Photoelectric switch Push button
Counter Logic unit Relays Timer
Relay contac
Fans Horn Light Motor starter Solenoid Valves
Selector switch
2.4.1.3 Unit Programming Device Programming device adalah suatu unit untuk memasukkan bahasa pemrograman (ladder diagram) ke dalam memori PLC. Pemrograman dapat dilakukan dengan berbagai cara, yaitu melalui Console Device, komputer AT, dsb. Secara teknis program pada memori PLC yang digunakan untuk mengontrol peralatan ini dibuat dan dimasukkan dengan menggunakan perangkat pemrograman.
26
Yaitu unit mini programmer/console terlihat pada Gambar 2.19 atau menggunakan komputer via perangkat lunak yang menyertainya yang ditunjukkan pada Gambar 2.20. Misalnya, perangkat lunak Syswin digunakan untuk memprogram PLC produksi OMRON, KGL untuk PLC produksi LG, dan lain sebagainya.
Gambar 2.19 Unit mini programmer untuk memprogram PLC.
Gambar 2.20 Unit Pemograman dengan Komputer.
Perbanding dengan kedua perangkat pemrograman tersebut, bahwa komputer dewasa ini lebih banyak digunakan dibandingkan dengan Console manual. Pemanfaatan Console biasanya terbatas hanya untuk editing program PLC saja dan hal ini sebenarnya terkait dengan kemudahan dan fasilitas pemrograman dari kedua perangkat tersebut.
2.4.2 Hal Penting Dalam Menggunakan PLC Hal yang perlu diperhatikan dalam memilih Programmable Logic Controller (PLC) adalah sebagai berikut : 1. Input: •
Jumlah Input.
•
Type Input.
27
2. Output: •
Jumlah Output.
•
Type Output.
3. Memory: •
RAM (Random Access Memory)
•
EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)
•
EEPROM
(Electrical
Erasable
Programmable
Read
Memory), dapat melakukan penyimpanan yang permanent dan dapat diubah secara mudah. 4. Peripheral: •
Handheld Programming Console.
•
SS – Ladder Support Software / SS –SYSMAC.
5. Support Software: •
PROM Writer.
•
SYSWIN.
2.4.3 Pemrograman Untuk memprogram sebuah PLC terlebih dahulu harus mengenal atau mengetahui tentang organisasi dari memorinya. Ilustrasi dari organisasi memori adalah sebagai peta memori (memori map), yang space–nya terdiri dari kategori User Program dan Data tabel. User Program adalah dimana program logic ladder dimasukkan dan disimpan yang berupa instruksi– instruksi dalam format logic ladder. Setiap instruksi memerlukan satu word di dalam memori. Data tabel dibagi menjadi dua kategori, yaitu status data dan number atau codes. Status adalah informasi ON/OFF yang dipresentasikan sebagai “I” dan “O”, sedangkan informasi number atau code dipresentasikan sebagai grup dari bit yang disimpan dalam byte atau word location.
28
2.4.4 Ladder Diagram dan Mnemonic Code Diagram ladder atau diagram satu garis adalah satu cara untuk menggambarkan proses kontrol sekuensial yang umum dijumpai di industri. Diagram ini merepresentasikan interkoneksi antara perangkat input dan perangkat output sistem kontrol. Dinamakan diagram ladder (tangga) karena diagram ini mirip dengan tangga. Seperti halnya sebuah tangga yang memiliki sejumlah anak tangga, diagram ini juga memiliki anak-anak tangga tempat setiap peralatan dikoneksikan. Gambar 2.21 berikut memperlihatkan salah satu contoh diagram ladder elektromekanis sederhana dengan sebuah anak tangga.
Gambar 2.21 Diagram ladder elektromekanis sederhana.
Pada awalnya, diagram ladder ini digunakan untuk merepresentasikan rangkaian logika kontrol secara hardwired untuk mesin-mesin atau peralatan. Karena luasnya pemakaian maka diagram tersebut menjadi standar pemrograman kontrol sekuensial yang banyak ditemui di industri. Rangkaian diagram ladder elektromekanis yang bersifat hardwired ini pada dasamya secara langsung dapat diimplementasikan dengan menggunakan PLC. Rangkaian logika kontrol pada diagram diimplementasikan secara softwired
dengan
menggunakan
software.
Gambar
2.22
di
bawah
memperlihatkan transformasi diagram ladder untuk Gambar 2.21 ke dalam format ladder PLC beserta diagram penyambungannya. Dalam diagram penyambungan ini, perangkat input/output seperti push button, limit switch, lampu, solenoid, dan lain sebagainya dikoneksikan pada modul antarmuka PLC. Adapun diagram ladder-nya diimplementasikan secara softwired di dalam memori PLC dengan menggunakan relai-relai dan kontaktor-kontaktor
29
internal yang bersifat soft. Relai-relai internal ini merupakan alamat alamat bit pada memori PLC.
Gambar 2.22 Transformasi diagram ladder untuk Gambar 2.21.
Untuk memudahkan dalam menulis dan memasukkan program pada PLC maka di butuhkan beberapa tahap dasar. Ladder diagram dari suatu program dibuat terlebih dahulu untuk memudahkan dalam penyusunan mnemonic code. Program bentuk mnemonic code dapat langsung dimasukkan ke CPU melalui program console. Ladder diagram terdiri dari suatu garis memanjang ke bawah dari sisi kiri dengan cabang–cabangnya menuju ke arah kanan. Garis memanjang ke bawah di sisi kiri disebut dengan busbar. Sedangkan cabang–cabangnya disebut dengan garis instruksi. Sepanjang garis instruksi ditempatkan kondisi– kondisi yang memimpin instruksi lain pada sisi kanan berikutnya. Kombinasi logic dari kondisi–kondisi ini menentukan kapan dan bagaimana instruksi pada sisi kanan dijalankan. Dua garis ke coil vertical pada garis instruksi menunjukkan kondisi invers dari LD, AND, OR yaitu LD NOT, AND NOT atau OR NOT. Instruksi umum adalah instruksi dasar dan sering digunakan dalam mengontrol peralatan dengan PLC.
2.4.4.1 Normally Open (NO) dan Normally Close (NC) Masing–masing kondisi dalam ladder diagram adalah ON/OFF, bergantung pada operand bit yang telah ditentukan. Normally Open adalah kondisi dimana suatu operasi akan berjalan jika operand bit ON. Jika operand bit OFF maka operasi tersebut berhenti. Normally Close adalah kondisi dimana suatu operasi akan berjalan jika operasi bit OFF,
30
jika operand bit ON maka akan berhenti. Gambar 2.23 menunjukan instruksi 1 akan berjalan jika IR 00000 ON, dan instruksi 2 akan berjalan jika IR 00001 OFF.
Gambar 2.23 Kondisi NO dan NC.
2.4.4.2 Load dan Load Not Kondisi awal dari suatu ladder diagram selalu berhubungan dengan instruksi LD dan LD NOT, ditunjukkan oleh Gambar 2.24.
Gambar 2.24 Ladder Diagram Instruksi LD dan LD Not.
Tabel 2.3 merupakan mnemonic code dari ladder diagram pada Gambar 2.24 dimana pada instruksi LD, kondisi eksekusi ON jika IR 00000 ON. Pada instruksi LD Not Kondisi eksekusi ON jika IR 00001 OFF.
Tabel 2.3 Mnemonic Code Instruksi LD dan LD Not. Alamat
Instruksi
00000
LD
00001
Instruksi
00002
LD Not
00003
Instruksi
Operand 00000
00001
31
2.4.4.3 AND dan AND Not Jika ada dua atau lebih kontak yang tersusun seri pada suatu garis instruksi, maka instruksi pada kontak pertama adalah LD atau LD NOT dan kontak berikutnya adalah AND atau AND NOT.
Gambar 2.25 Ladder Diagram Instruksi AND dan AND Not.
Tabel 2.4 merupakan mnemonic code dari ladder diagram pada Gambar 2.25. Instruksi akan ON jika seluruh kontak berada pada kondisi ON, yaitu ketika IR 00000 ON, IR 00001 OFF dan IR 00002 ON.
Tabel 2.4 Mnemonic Code Instruksi AND dan AND Not. Alamat
Instruksi
Operand
00000
LD
00000
00001
AND Not
00001
00002
AND
00002
00003
Instruksi
2.4.4.4 OR dan OR Not Jika ada dua atau lebih kontak yang tersusun secara pararel pada suatu garis instruksi, maka instruksi pada kontak pertama adalah LD atau LD NOT dan pada kontak berikutnya adalah OR atau OR NOT.
Gambar 2.26 Ladder Diagram Instruksi OR dan OR Not.
32
Tabel 2.5 adalah mnemonic code dari ladder diagram pada Gambar 2.26 instruksi akan ON jika salah satu dari ketiga operand dalam kondisi ON, yaitu ketika IR 00000 OFF atau IR00001 OFF atau IR 00002 ON.
Tabel 2.5 Mnemonic Code Instruksi OR dan OR NOT. Alamat
Instruksi
Operand
00000
LD
00000
00001
OR Not
00001
00002
OR
00002
00003
Instruksi
Pada tabel diatas instruksi ON akan terus jika kontak 00001 tetap dipertahankan dalam kondisi OFF dan instruksi akan biasa di-ON dan di-OFF kan dengan salah satu dari kedua operand (00000 dan 00001), dengan syarat kondisi dari kontak 00001 harus ON yaitu ketika IR 00000 atau IR 00002 bekerja.
2.4.4.5 Kombinasi AND dan OR instruksi Ketika instruksi AND dan OR digunakan pada suatu ladder diagram yang lengkap seperti yang terlihat pada Gambar 2.27 maka mnemonic code instruks-instruksi tersebut adalah seperti Tabel 2.6 di bawah ini.
Gambar 2.27 Ladder Diagram Instruksi Kombinasi AND dan OR.
33
Tabel 2.6 Mnemonic Code Instruksi Kombinasi AND dan OR. Alamat
Instruksi
Operand
00000
LD
00000
00001
AND Not
00001
00002
OR
10000
00003
AND
00002
00004
Instruksi
10000
2.4.4.6 OUT dan OUT Not Hasil output dapat dikombinasi sacera langsung dengan kondisi yang dieksekusi sebelumnya dengan instruksi OUT dan OUT NOT. Dengan OUT instruksi, operand bit akan ON selama kondisi eksekusi ON dan OFF selama kondisi eksekusi OFF. Pada OUT NOT instruksi, operand bit akan ON selama kondisi eksekusi OFF dan OFF selama kondisi eksekusi ON.
Gambar 2.28 Ladder Diagram Instruksi OUT dan OUT Not.
Tabel 2.7 menunjukkan mnemonic code dari ladder diagram pada Gambar 2.11. IR 10000 akan ON selama IR 00000 ON dan IR 00001 ON. Output IR 10001 akan ON selama kondisi dari IR 00002 OFF, dan sebaliknya akan OFF jika IR 00002 ON.
34
Tabel 2.7 Mnemonic Code Instruksi OUT dan OUT Not. Alamat
Instruksi
Operand
00000
LD
00000
00001
OR
10000
00002
AND
00001
00003
OUT
10000
00004
LD
00002
00005
OUT Not
10001
2.4.4.7 Instruksi END Instruksi terakhir yang dibutuhkan untuk menyempurnakan suatu program adalah instruksi END. Ketika CPU melakukan proses scan suatu program, CPU menjalankan seluruh program hingga instruksi END pertama sebelum kembali ke awal program untuk memulai eksekusi lagi. Instruksi END dapat ditempatkan pada beberapa point di dalam program Instruksi yang menunjukan instruksi END dalam mnemonic code yang fungsi code (01) yang ditunjukan oleh Tabel 2.8. Instruksi END tidak membutuhkan operand maupun kondisi yang ditempatkan pada garis instruksi seperti terlihat pada Gambar 2.29 di bawah ini
Gambar 2.29 Ladder Diagram Instruksi END.
35
Tabel 2.8 Mnemonic Code Instruksi END. Alamat
Instruksi
Operand
00000
LD
00000
00001
OR
10000
00002
AND
00001
00003
OUT
10000
00004
LD
00002
00005
OUT Not
10001
00006
END (01)
2.4.4.8 AND LOAD dan OR LOAD Jika ada dua atau lebih logic blok yang terhubung seri atau pararel maka blok logika tersebut dapat dihubungkan dengan AND LOAD untuk hubungan seri dan OR LOAD untuk hunungan pararel. Blok logika adalah suatu group instruksi yang mempunyai hubungan secara logika dalam suatu ladder diagram dan membutuhkan blok logika instruksi berhubungan dengan instruksi atau blok logika yang lain.
Gambar 2.30 Ladder Diagram Instruksi AND LOAD.
Tabel 2.9 menunjukan mnemonic code dari ladder diagram, Gambar 2.30 dimana logic blok a dan blok b dihubungkan dengan instruksi AND LOAD.
36
Tabel 2.9 Mnemonic Code AND LOAD. Alamat
Instruksi
Operand
00000
LD
00000
00001
OR
00001
00002
LD
00002
00003
OR
00003
00004
AND LD
00005
Instruksi
2.4.4.9 Timer Instruksi TIM (timer) dapat digunakan sebagai pewaktu delay ON juga sebagai rangkaian relay. Pada Gambar 2.32 diberikan contoh dalam penggunaan timer untuk delay ON. Sebenarnya instruksi TIM adalah instruksi pengurangan dari pewaktu yang membutuhkan nomor dari timer mulai nol hingga nomor terakhir ditentukan sesuai dengan tipe PLC dan nilai set (SV) yang berkisar dari 0000 sampai dengan 9999 atau jika dikonversikan ke dalam detik dibagi 10 sehingga dapat membentuk timer 0 sampai dengan 999,9 detik.
Gambar 2.31 Simbol Timer. N : nomor timer # 000 hingga 127. SV: Set Value IR, SR, AR, DM, HR, LR, # (word atau BCD #0 s/d #9999).
SV dapat diletakkan di IR (Internal Relay), SR (Spesial Relay), AR (Auxilary Relay), DM (data memory), HR (holding relay), LR (1 relay), # (data BCD).
37
Gambar 2.32 Ladder Diagram Timer.
Dari Gambar 2.15 di atas, apabila input 0000 ditekan maka relay akan mulai mengurangi dari SV yang diberikan (dalam hal ini #0100 artinya 10 detik). Setelah 10 detik output dari timer akan ON sampai penekanan tombol input 00000 dilepas atau input 00001 ditekan (input 00001 adalah Normally Close sehingga saat ditekan hubungan ke timer OFF) yang berakibat output timer OFF. Code mnemonik dan timing diagram ditunjukkan pada Tabel 2.10 dan Gambar 2.33.
Tabel 2.10 Mnemonic Code Pemakaian Timer. Alamat
Instruksi
Operand
00000
LD
00000
00001
AND NOT
00001
00002
TIM
000 #0100
00003
LD TIM
000
00004
OUT
01000
00005
LD NOT
TIM 000
00006
OUT
01001
00007
END (01)
38
Gambar 2.33 Timing Diagram Rangkaian Timer.
2.4.4.10 Counter Simbol dari counter adalah pada Gambar 2.34 di bawah ini.
Gambar 2.34 Simbol Counter. N: nomor counter # 0 hingga127 SV: Set Value IR, SR, AR, DM, HR, LR, # (word atau BCD #0 s/d #9999).
Gambar 2.35 Simbol Counter .
Gambar 2.35 contoh dari rangkaian counter. Counter (CNT) adalah sebuah penurunan yang diset awal. Penurunan satu hitungan setiap kali saat sebuah sinyal input berubah dari OFF ke ON. Counter
39
harus diprogram dengan input hitung (CP). Input reset (R), angka counter (N), dan nilai set (SV). Nilai set ini dapat berkisar dari 0000 sampai 9999. Yang perlu jadi perhatian adalah untuk angka counter tidak boleh sama dengan angka timer karena keduanya terbagi dalam memory PLC. Tabel 2.11 merupakan mnemonic dari ladder Gambar 2.35.
Tabel 2.11 Mnemonic Code Rangkaian Counter. Alamat
Instruksi
Operand
00000
LD
00000
00001
LD
00002
00002
CNT
001 #0010
00003
LD CNT
001
00004
OUT
01002
00005
END (01)
2.4.4.11 KEEP (11) – Latching Relay Keep digunakan seperti latch. Fungsi ini akan mempertahankan status bit ON atau OFF sampai ada satu dari dua input yang menge-set atau reset fungsi tersebut. Bila fungsi KEEP ini digunakan dengan HR relay, status dari output latch akan dipertahankan selama terjadi gangguan daya.
Gambar 2.36 Ladder Diagram Rangkaian KEEP (11).
40
Dari Gambar 2.36 di atas, apabila input 00000 ditekan maka fungsi relay KEEP akan tetap ON dan memiliki nilai bit 1. Setelah penekanan tombol input 00000 dilepas atau input 00001 ditekan yang berakibat fungsi relay KEEP akan OFF dan memiliki nilai bit 0. Code mnemonik ditunjukkan pada Tabel 2.12.
Tabel 2.12 Mnemonic Code Rangkaian Counter. Alamat
Instruksi
Operand
00000
LD
00000
00001
LD
00001
00002
KEEP (11)
01000
00003
END (01)
2.4.4.12 DIFU (13) dan DIFD (14) - Differensiasi DIFU dan DIFD outputnya menjadi ON untuk satu waktu scan. Adapun maksud dari kedua fungsi tersebut adalah: 1.DIFU outputnya menjadi ON saat terjadi transisi OFF menjadi ON pada sinyal inputnya. 2.DIFD outputnya menjadi ON saat terjadi transisi ON menjadi OFF pada sinyal inputnya.
Gambar 2.37 Ladder Diagram Rangkaian DIFU (13) dan DIFD (14).
41
Dari Gambar ladder diagram di atas apabila tombol 00000 ditekan maka fungsi DIFU (13) akan ON dan mengakibatkan output IR11000 akan menerima satu scan ON saat terjadi transisi OFF menjadi ON pada sinyal inputnya. Apabila penekanan tombol input 00001 ditekan yang berakibat fungsi DIFD (14) akan ON dan mengakibatkan output IR11001 akan menerima satu scan ON saat terjadi transisi ON menjadi OFF pada sinyal inputnya. Code mnemonik dan timming diagram ditunjukkan pada Tabel 2.13 dan Gambar 2.38
Tabel 2.13 Mnemonic Code Rangkaian DIFU (13) dan DIFD (14). Alamat
Instruksi
Operand
00000
LD
00000
00001
DIFU (13)
01000
00002
LD
00001
00003
DIFD (14)
01001
00004
LD
01000
00005
OUT
11000
00006
LD
01001
00007
OUT
11001
00008
END (01)
Gambar 2.38 Timming Diagram DIFU (13) dan DIFD (14).
