5–1
BAB V PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER 5.1 Pengantar Pada aplikasi industri, banyak dibutuhkan implementasi pengontrol proses yang akan beraksi menghasilkan output sebagai fungsi dari state, perubahan state, atau beberapa variabel biner. Sistem yang mengimplementasikan fungsi ini disebut sistem pengontrol logic karena input dan sinyal yang diproses berupa variabel biner. Gambar di bawah ini menunjukkan bagaimana suatu logic controller mengontrol suatu proses
aktuator
Industrial Proses
sensor
Logic controller
display
industri secara closed loop.
Combinational Logic Controller
synchronous Sequential asynchronous
Klasifikasi dari logic controller: Sistem kontrol atau sistem kendali dengan menggunakan logic controller merupakan basis dari sistem kendali terotomatisasi. Sistem kendali terotomatisasi dapat diimplementasikan dengan teknologi hard-wired dan teknologi yang dapat diprogram (programmable technology).
5–2 •
Dalam teknologi hard-wired, sistem kendali terdiri dari modul-modul perangkat keras yang dihubungkan satu sama lain. Fungsi yang dibentuk adalah fungsi hasil dari modulmodul yang dipilih. Susunan perangkat keras yang spesifik akan menghasilkan aksi kendali spesifik dan untuk proses plant yang tertentu pula. Apabila diinginkan untuk mengendalikan plant yang lain, maka susunan perangkat keras ini harus diubah secara menyeluruh.
•
Dalam programmable technology, unit kendali diimplementasikan dengan modul terintegrasi berupa peralatan pemrograman yang didesain secara khusus sehingga berfungsi sebagai multi-modul. Artinya unit kendali ini dapat digunakan dalam berbagai proses/plant. Jika diinginkan mengendalikan plant yang lain maka tidak perlu susah merombak susunan hardware-nya, tetapi cukup mengganti program kendalinya secara software.
Sistem hard-wired: Tiga jenis teknologi yang digunakan pada sistem otomatis hard-wired: 1. Relay elektromagnet Terdiri dari kontak yang digerakkan dengan kumparan. Relay ini adalah komponen dasar yang digunakan dalam teknologi hard-wired. 2. Modul logika pneumatik Terdiri dari katup pneumatik yang menggunakan udara terkompresi sebagai medianya. Hal ini seperti yang telah diuraikan pada bab sebelumnya mengenai pneumatik. Katup pneumatik ini merupakan unit pemroses sinyal yang akan menghasilkan aksi kendali ke aktuator. 3. Modul elektronik Terdiri dari komponen elektronika. Hubungan antar modul dilakukan dengan kabel seperti rangkaian biasa. Modul elektronik ini juga merupakan pemroses sinyal. Papan elektronik hanya kompetitif untuk sistem kendali yang identik dalam jumlah besar.
5–3 Teknologi di atas digunakan untuk plant atau sistem yang tetap karena instalasi beserta wiring-nya membutuhkan biaya yang mahal. Dapat dibayangkan betapa mahalnya jika merombak susunan perkabelan atau hubungan dari modul-modulnya apabila digunakan untuk plant yang berbeda.
Programmable technology Teknologi ini dipakai untuk sistem yang membutuhkan fleksibilitas yang tinggi (multi modul). Peralatan terprogram ini menggunakan teknologi terintegrasi dari elektronika yang berfungsi sebagai pengolah sinyal dengan respon yang cepat. Sistem hard-wired digunakan untuk sistem dengan masukan dan keluaran yang terbatas atau sistem dengan pemrosesan data yang kecil. Sedangkan programmable controller digunakan pada sistem yang membutuhkan pemrosesan sinyal dalam jumlah yang besar. Dalam pemilihan antara dua teknologi tersebut harus diperhatikan kriteria kelayakan dan kriteria optimalnya. Kriteria kelayakan adalah bagaimana perangkat tersebut dapat menyelesaikan masalah yang ada. Sedangkan kriteria optimal adalah mengoptimalkan aspek-aspek yang berhubungan seperti biaya, faktor keamanan, efisiensi, dan kehandalan.
5.2. Pengenalan PLC PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER (PLC) adalah elemen kendali yang fungsi pengendaliannya dapat diprogram sesuai keperluan. PLC mempunyai jenis input/output berupa sinyal logic on off. Alat ini mempunyai kemampuan menyimpan instruksi-instruksi untuk melaksanakan fungsi kendali atau melaksanakan suatu perintah kerja yang sekuensial, perhitungan aritmatik, pemrosesan numerik, sarana komunikasi dari suatu proses. Perkembangan PLC sangat erat dengan perkembangan mikroprosesor. Seiring dengan meningkatnya kemampuan mikroprosesor, maka kemampuan PLC akan meningkat juga. Saat ini PLC telah mampu berkomunikasi dengan operator, dengan modul-modul kendali tertentu seperti
5–4 PID kontroler, multi-channel analog I/O, berkomunikasi dengan komputer atau PLC lain, bahkan dapat juga mentransmisikan data untuk keperluan pengontrolan jarak jauh (remote). Keuntungan dari PLC antara lain: •
Kemudahan untuk memprogram dan mengubah program sesuai kebutuhan.
•
Kemudahan dalam pemeliharaan dan perbaikan
•
Bersifat fleksibel dan multi-modul serta ukurannya yang kompak dan praktis untuk di-install dilapangan industri. Hal ini merupakan kemajuan dari teknologi relay.
•
Biaya total pada akhirnya akan dapat ditekan dibandingkan teknologi hard-wired.
5.3. Sistem kerja PLC PLC menerima sinyal input dari peralatan sensor berupa sinyal on off. Apabila input berupa sinyal analog, maka dibutuhkan input analog modul yang mengkonversi sinyal analog menjadi sinyal digital. Sinyal ini akan dikirim ke Central Processing Unit untuk diproses sesuai program yang telah dibuat. Hasil pemrosesan berupa sinyal keluaran digital yang dikirim ke modul output ALAT PEMROGRAM • PC • HAND HELD PROGRAMMER
TABEL INPUT
PROGRAM APLIKASI PLC
TABEL OUTPUT
DATA INPUT DEVICE • SWITCH • SENSOR • PUSH BUTTON
SISTEM I/O
OUTPUT DEVICE • LAMPU • RELAY • MOTOR • VALVE
5–5 untuk menjalankan aktuator. Jika aktuator membutuhkan sinyal analog, maka dibutuhkan analog output modul. Prinsip kerja PLC:
5.4. Perangkat keras PLC PLC mempunyai kemiripan struktur dasar dengan komputer karena pada dasarnya PLC merupakan perangkat yang berbasiskan mikroprosesor. Komponen dasar PLC adalah: 1. Central Processing Unit atau disebut juga Central Controlling Unit, terdiri atas bagian: Processor, memory, dan power supply. 2. Struktur input/output. 3. Program device
5.4.1. Central Controlling/Processing Unit CCU merupakan otak dari PLC, dimana ia akan mengendalikan dan mengawasi jalannya operasi dalam PLC sesuai dengan instruksi program yang tersimpan dalam memori. Suatu jalur komunikasi internal akan membawa informasi dari dan ke CCU, memori, unit I/O, dengan dikendalikan oleh CCU. Sistem CCU pada PLC berbasis mikroprosesor.
5.4.2. Memori Karakteristik terpenting PLC adalah kemudahan pemakai dalam mengganti program dengan mudah dan cepat. Kemudahan ini didapatkan karena arsitektur PLC yang dilengkapi dengan sistem memori. Sistem memori yang dimaksud adalah tempat pada CCU yang dapat menyimpan data-data urutan instruksi ataupun program yang nantinya akan dieksekusi oleh prosesor. Sistem memori PLC terdiri dari dua macam: •
Executive memori: atau disebut juga memori sistem operasi. Sistem memori ini adalah tempat menyimpan program yang menangani operasi PLC.
Program permanen ini
menjalankan aktivitas seluruh sistem seperti eksekusi program, komunikasi peralatan, dll.
5–6 Bagian ini menyimpan instruksi-instruksi software seperti instruksi internal relay, block transfer, instruksi aritmatik dll. •
Application memori: Sistem ini untuk menyimpan instruksi program yang dimasukkan oleh pemakai untuk menjalankan proses kendali tertentu. Di samping itu terdapat memori penyimpanan status (status register) input/output dan status fungsi dalam PLC itu sendiri seperti timer dan counter.
5.4.3. Modul input/output Modul I/O dari suatu PLC merupakan komunikasi atau hubungan PLC dengan dunia luar. Dengan modul ini maka PLC mampu mengendalikan suatu proses. Unit I/O ini mempunyai karakteristik yang berbeda-beda sesuai dengan jenis PLC nya. Ada PLC yang mempunyai 8 bit I/O digital tetapi dapat juga terdapat modul extended I/O yang memungkinkan PLC memiliki banyak I/O. Tiap I/O ini mempunyai alamat tersendiri yang akan digunakan pada program. Modul input PLC berhubungan dengan elemen sensor yang memberikan informasi keadaan proses. Sinyal informasi ini akan diolah sesuai dengan program yang telah dibuat oleh CCU. Sedangkan modul output PLC berhubungan dengan elemen aktuator yang akan memberikan aksi kendali kepada plant. Apabila input berupa sinyal analog, maka dibutuhkan suatu modul input analog yang berfungsi sebagai ADC. Modul ini juga akan mengkondisikan sinyal input sehingga range input analog menjadi sesuai dengan range input ADC (scaling). Begitu juga dengan output, apabila aktuator membutuhkan sinyal analog maka dibutuhkan modul output analog. Dengan demikian PLC mempunyai kemampuan lebih dengan menerima input dan memberikan output analog dengan pemrosesan sinyal secara digital.
5.4.4. Programming Device. Bagian ini merupakan elemen yang berinteraksi dengan pemakai. Alat ini memudahkan pemakai dalam memprogram ataupun mengubah program PLC. Apabila PLC sudah terprogram,
5–7 maka alat ini tidak diperlukan lagi dan PLC bekerja secara mandiri. Alat ini dapat berupa handheld programmer/console berbentuk seperti kalkulator kecil untuk memasukkan program. Programming device dapat juga berupa personal computer dengan software tertentu yang dikeluarkan oleh pembuat PLC. Masing-masing alat, mempunyai kelebihan dan kekurangan. Hand-held programmer bentuknya kecil dan praktis digunakan di lapangan, tetapi tidak komunikatif dengan user karena tampilan programnya hanya satu baris. Sedangkan PC tidak mudah dibawa atau dipindahkan ke lapangan tetapi cara pemrogramannya lebih mudah karena software-nya telah dirancang untuk memudahkan.
5.4.5 Modul-modul tambahan Untuk melengkapi kemampuan PLC maka digunakan modul tambahan: •
I/O analog seperti yang telah dijelaskan di atas
•
Modul controller yang didalamnya terdapat berbagai macam aksi pengendalian seperti P, I, PI, PD, PID. Untuk keperluan tertentu, pembuat PLC menambahkan pengendali model servo-mekanik dan servo-pneumatik, sebagai contoh adalah perusahaan Festo.
•
Modul komunikasi. Modul ini membuat PLC dapat berhubungan dengan PLC lainnya, dengan PC, ataupun dengan alat pemrogram. Hubungan antara satu PLC dengan PLC lainnya memungkinkan terwujudnya DCS (Distributed Control System). Sedangkan hubungan antara PLC dan PC memungkinkan terwujudnya sistem SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Kedua sistem ini banyak digunakan dalam kontrol proses di industri. Komunikasi antar perangkat dapat menggunakan RS 232.
•
Extended I/O serta memori tambahan.
5.5. Dasar Pemrograman PLC Pada sub-bab ini akan disajikan sekilas tentang pemrograman PLC. Penyajian ini tidak akan mendetail karena tiap jenis PLC mempunyai karakteristik pemrograman tersendiri. Spesifikasi
5–8 PLC yang berbeda mempunyai bahasa pemrograman yang berbeda. Pada prinsipnya untuk semua jenis PLC, penulisan program ada beberapa cara:
1. Diagram ladder Diagram ladder berbentuk jaringan sakelar yang dihubungkan secara seri dan paralel dan hasilnya disimpan di dalam memori tertentu. Keberhasilan dari jaringan ladder membawa data logika dari input ke output tergantung dari program yang dibuat. Diagram ladder bentuknya seperti tangga dibatasi oleh dua garis vertikal. Sisi kiri untuk aliran daya masukan positif, sisi kanan untuk keluaran. Sistem penulisan dengan cara ladder diagram ini populer digunakan orang karena sudah banyak digunakan dalam penggambaran rangkaian kontrol dengan menggunakan relay dan kontaktor. Ladder diagram akan menyederhanakan pergantian sistem kontrol berbasis relay oleh PLC serta memudahkan pemrograman oleh control engineer yang sudah familiar dengan disain sistem kontrol berbasis relay.
Sedangkan telah kita ketahui bahwa PLC merupakan
pengembangan dari kontrol relay. Pada penulisan ladder diagram, terdapat tampilan urutan kerja sinyal listrik sesuai dengan aksi yang diberikan. Logika pemikirannya sama seperti gambar pada diagram relay, yang berbeda adalah simbolnya saja. Simbol pada PLC:
•
Logika untuk input Normally Open (NO), Logika akan benar apabila nilai boolean=1, atau input energized . Jika input diberi energi, sakelar mengalirkan arus. Normally closed (NC), Logika akan benar apabila nilai boolean=0, atau input de-energized. Jadi apabila input tidak diberi energi sakelar ini mengalirkan arus.
•
Logika untuk output Hasil operasi logika ditransfer ke bagian output. Jika hasil operasi logika adalah 1, maka output memberikan energi.
5–9 Hasil operasi logika diinverskan dan ditransfer ke bagian output. Jika hasil operasi adalah 1, maka output tidak akan memberikan energi. •
Fungsi-fungsi blok Program pada PLC mempunyai fasilitas selain gerbang logika. Fasilitas tersebut antara lain: •
counter (increment dan decrement)
•
timer
•
pemanfaatan register
•
operasi aritmatik sehingga memungkinkan dilakukannya perhitungan numerik seperti halnya pada komputer.
•
Operasi biner dan bit (bit-wise operation).
•
Looping dan jumping operation dll.
2. Function chart Persamaannya dengan ladder diagram adalah keduanya merupakan representasi grafik. Function chart seperti ini untuk memudahkan engineer yang familiar dengan elektronika digital. Dan juga akan sangat memudahkan untuk kontrol kombinasional.
3. Statement atau Instruction list Selain dengan menggunakan cara grafik seperti di atas, PLC dapat diprogram dengan menggunakan listing program. Umumnya, pembuat PLC menyediakan software untuk memungkinkan hal ini. Karena bahasa mesin untuk PLC berbeda satu sama lain, maka listing programnya juga berbeda, namun algoritmanya dapat sama. Hal ini persis seperti bermacammacam bahasa pemrograman tingkat tinggi pada komputer. Maka dari itu, listing pemrograman tidak akan dibahas di sini. Bentuk listing program ini dapat dipelajari pada literatur atau manual book dari PLC yang bersangkutan. Bentuk listing program ini sangat membantu bagi mereka yang familiar dengan algoritma pemrograman dan informatika. Keuntungan dari listing program:
5–10 •
Pada listing program dapat diberikan komentar, sehingga memudahkan mereka yang membaca untuk mengerti algoritmanya.
•
Listing program sedikit memakan tempat visual pada layar monitor dan memori dibandingkan dengan model grafik seperti ladder diagram dan function chart.
4. Bentuk grafcet Bentuk ini menggunakan blok-blok yang dipasang secara seri atau paralel. Setiap blok merupakan kumpulan instruksi-instruksi dalam bentuk ladder maupun listing program. Bentuk grafcet yang mirip flowchart ini memudahkan orang dalam memahami algoritma suatu program PLC.
5.6. Studi Kasus Pada sub-bab ini akan disajikan sedikit mengenai pemrograman PLC. Pemrograman dilakukan dengan ladder diagram. PLC yang digunakan adalah jenis Festo. Contoh program yang disajikan adalah merupakan fungsi dasar dari PLC. Adapun untuk tingkat masalah pengontrolan yang lebih lanjut, dapat dipelajari pada buku manual /literatur •
Set dan reset
S I0
O0
R I1
O0
Dalam pemrograman ladder diagram, tiap input dan output diberikan alokasi alamat. Untuk PLC biasa (standard) input adalah I0-I7, output adalah O0-O7. Jumlah digital I/O ini dapat ditambah dengan menggunakan modul extended dari PLC. Gambar diagram waktu:
5–11 I0
I1
O0 Jika tombol I0 ditekan sekali (ditekan kemudian dilepaskan) maka lampu O0 akan menyala terus. Lampu akan padam apabila tombol I1 ditekan. Tanda S dan R pada output menunjukkan keadaan holding. Apabila tidak terdapat tanda S dan R pada output maka lampu akan menyala hanya selama tombol ditekan (tidak bersifat holding). Set dan reset menggunakan flag memori. I0
I1
F0.0.0
F0.0.0
F0.0.0
O0
Fungsi rangkaian ini sama seperti sebelumnya, tetapi pada output tidak digunakan tanda S dan R. Flag memori berfungsi sebagai register sementara untuk menyimpan hasil operasi. •
Label I0
LABEL1
I1
O0
O1
I2
I3
LABEL1
O2
5–12
Jika I0 tidak ditekan, maka I1 serta I2 akan dapat berfungsi sesuai tugasnya. Sementara itu I3 tidak dapat mengaktifkan O2 karena aliran energi putus pada label1. Ketika I0 ditekan maka instruksi label aktif, penekanan I3 akan menyebabkan O2 menyala. Tetapi penekanan I1 dan I2 tidak dapat mengaktifkan outputnya masing-masing. Instruksi label digunakan untuk membypass perintah pada label yang dituju sehingga perintah lainnya akan diabaikan. Guna daripada perintah label ini adalah untuk jumping dan looping serta pemenuhan suatu kondisi operasi di depan perintah label. I0
I1 LABEL1
I1
I0
Rangkaian di atas menunjukkan bahwa jika operasi EXOR terpenuhi, maka perintah akan langsung by-pass ke label yang dituju. Jika tidak maka operasi di antara tanda label akan dijalankan. Hal ini seperti perintah if-then-else. •
Timer
I1 T1 5s timer T1
T1
O0 1
O1
Pada rangkaian di atas, penekanan I1 akan mengaktifkan T1 selama 5 detik. Maka diagram waktu dari input dan output:
5–13 I1
O0
O1 5 •
detik
Counter I0
C1
C1
C1 5 counter
I1 C1 INC
C1
I2
O0
O0
S
R
I0 digunakan sebagai inisialisasi counter yaitu menunjukkan bahwa counter siap bekerja. Sekali I0 ditekan maka C1 akan inisialisasi dan penekanan I0 kembali tidak akan mempengaruhi C1. Pada line kedua, setiap penekanan I1 akan menyebabkan C1 menghitung sebanyak satu pulsa naik karena digunakan mode increment (INC) counter. Apabila pulsa yang dihitung sudah mencapai yang tertulis pada counter, maka C1 akan non-aktif kembali. Pada saat C1 non-aktif maka output O0 akan menyala (set). O0 akan padam apabila input I2 aktif (reset).
5–14 •
Pengontrolan on-off pada tangki distribusi air. Masalah: Terdapat satu buah tangki utama dan dua P1
buah tangki distributor. Pada tangki distributor
P2
terdapat hand valve yang dioperasikan manual oleh pemakai apabila membutuhkan air.
U2 U1
Sedangkan pada tangki utama terdapat elektrik
U0 V1
valve (tipe on-off) yang akan mengontrol aliran
V2
air ke tangki distributor (V1 dan V2). Untuk S1.1
S2.1
S1.0
S2.0
mensupply tangki utama terdapat dua buah pompa yaitu P1 dan P2.
Pada tangki utama terdapat tiga buah sensor yaitu U0, U1, U2 untuk menunjukkan tiga level posisi air. Dan pada tangki distributor yang lebih kecil masing-masing terdapat dua buah sensor. Aturan pengontrolan yang diinginkan: Pada tangki utama: •
Kedua pompa akan menyala jika air pada tangki utama menyentuh sensor U0.
•
Pengisian air dari U0 ke U1 dilakukan oleh P1 dan P2 secara serentak.
•
Pengisian selanjutnya yaitu dari U1 ke U2 dilakukan oleh satu pompa yaitu P1 sementara P2 mati.
•
P1 hanya akan mati jika air mencapai level U2. Pada tangki distributor :
•
V1 dan atau V2 akan membuka (melakukan pengisian) apabila air menyentuh S1.0 dan atau S2.0.
•
Jika air pada tangki utama berada antara level U0-U1, pengisian air pada tangki distributor harus satu persatu (V1 dan V2 tidak boleh membuka bersamaan). Satu tangki harus diisi hingga menyentuh level teratasnya baru kemudian tangki lainnya diisi.
5–15 •
Jika level air pada tangki utama berada antara level U1-U2, pengisian tangki distributor boleh serentak atau bersamaan. Solusi dengan menggunakan ladder diagram: U0
P1 S P2 S
U1
P2 R
U2
P1 R
S1.0
S2.0
F0.0.1
F0.0.0 S
S2.1
U1
F0.0.0
S2.0
V1
S1.0
F0.0.0
F0.0.1 S
S1.1
U1
F0.0.1
V2
S1.1
F0.0.0 R
S2.1
F0.0.1 R
5–16 5.7. Komentar mengenai PLC PLC dan sistem mekatronika seperti robotika pada saat ini merupakan inti dari industrial automation. Pada awalnya PLC merupakan pengganti rangkaian relay, tetapi pada pengembangannya, teknologi ini dimaksudkan untuk efisiensi, produktivitas, dan ekonomis. PLC dapat diterapkan pada berbagai bidang. Contoh-contoh praktis penerapan PLC antara lain: •
Quality control dari produksi.
•
Intelligent Building System (IBS)
•
Packaging pada industri farmasi, makanan dan minuman.
•
Pemasangan komponen elektronika komputer dan IC pada industri manufaktur.
•
Mesin pencuci mobil otomatis
