PERANCANGAN SISTEM PENGISIAN PENYUSUNAN TUTUP DAN OTOMATISASI PADA MESIN PENGISIAN DAN PENUTUPAN BOTOL
TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik pada Bidang Studi Desain Program Studi S-1 Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Sepuluh Nopember Oleh: ROHMAN ENDRIYATNO WIBOWO NRP 2103 100 041 Disetujui oleh Tim Penguji Tugas Akhir : 1. Ir. Arie Joewono NIP. 130 519 875
....................... (Pembimbing)
2. Ir A. Aziz Achmad NIP. 130 936 832
....................... (Penguji I)
3. Ir Julendra B. A.,MT NIP. 132 232 027
....................... (Penguji II)
4. Wiwiek Hendrowati, ST. MT. NIP. 132 173 133 ....................... (Penguji III) SURABAYA Juli, 2007
PERANCANGAN SISTEM PENGISIAN, PENYUSUNAN TUTUP DAN OTOMATISASI PADA MESIN PENGISIAN DAN PENUTUPAN BOTOL Nama Mahasiswa NRP Jurusan Dosen Pembimbing
: : : :
ROHMAN ENDRIYATNO W. 2103 100 041 Teknik Mesin FTI-ITS Ir. ARIE JOEWONO
Abstrak Salah satu upaya membantu perkembangan industri kecil menengah dibidang usaha air mineral dalam kemasan botol adalah memberikan masukan alternatif pemilihan mesin dengan cara merancang sistem yang sesuai dan harga yang menjangkau. Dalam Tugas Akhir ini dilakukan perancangan sistem pengisian botol, penyusunan tutup botol, dan otomatisasi sistem. Pada sistem pengisian dihitung gaya-gaya reaksi yang bekerja akibat fluida serta daya pompa, sampai diperoleh geometri sistem pengisian dan daya pompa yang sesuai. Pada sistem penyusunan tutup botol dihitung gaya-gaya reaksi, sudut untuk memutar tutup, sampai diperoleh geometri sistem penyusunan tutup botol dan daya motor yang dibutuhkan. Pada bagian otomatisasi dirancang sistem otomatis yang mengatur jalannya proses serta panel-panel kontrol yang dibutuhkan berbasis pada PLC (Programable Logic Controller) Siemens S7-200 CPU 214 dan program yang digunakan STEP 7 Micro/WIN 32. Akhirnya dari hasil perancangan didapatkan geometri sistem pengisian botol dan penyusunan tutup botol serta rancangan sistem otomatis sampai jumlah biaya bahan yang dibutuhkan untuk membuat sistem tersebut. Kata kunci: Pengisian botol, penyusunan tutup botol, PLC (programable Logic Controller)
DESIGN FILLING, CAPPING AND AUTOMATIZATION SYSTEM AT BOTTLE FILLING AND CAPPING MACHINE Nama Mahasiswa NRP Jurusan Dosen Pembimbing
: : : :
ROHMAN ENDRIYATNO W. 2103 100 041 Teknik Mesin FTI-ITS Ir. ARIE JOEWONO
Abstract One of effort to foster middle small industry of mineral water in bottle tidiness is by giving machine election alternative by designing the appropriate system and the price reaching. In this final project done a design of filling, capping and automatization system. At filling system calculated all force effect of fluid and also the energy of pump, obtained geometry of filling system and energy of appropriate pump. At capping system calculated force effect, angle to rotating cap of bottle, obtained geometry of capping system and motor energy required. At automatization system designed an automatic system that arranging the process and also panel of control required base on PLC ( Programable Logic Controller) Siemens S7-200 CPU 214 and program use STEP 7 Micro/WIN 32. Finally from the result of design obtained geometry of bottle filling and capping and also design of automatic system sum up expense material required to make the system. Key words : filling, capping ,PLC (programable Logic Controller)
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL ABSTRAK ................................................................................ HALAMAN PENGESAHAN................................................... KATA PENGANTAR............................................................... DAFTAR ISI ............................................................................. DAFTAR GAMBAR ................................................................ DAFTAR GRAFIK ................................................................... DAFTAR TABEL ..................................................................... NOMENKLATUR .................................................................... BAB I PENDAHULUAN ..................................................... 1.1. Latar Belakang .......................................................... 1.2. Perumusan masalah ................................................... 1.3. Tujuan Penelitian ....................................................... 1.4. Manfaat Penelitian ..................................................... 1.5. Batasan Masalah ........................................................ BAB II. TINJAUAN PUSTAKA ............................................ 2.1. Morfologi botol dan tutupnya.................................... Bagian tutup botol...................................................... Proses penyusunan tutup botol .................................. Bagian bodi botol....................................................... 2.2. Pengisian botol (filling) ............................................. Head loss dan daya pompa ........................................ Major loses................................................................. Minor loses................................................................. Gaya reaksi ................................................................ Stopper (pneumatik) ................................................... 2.3. Pengaturan tutup ........................................................ 2.4. Programable Logic Controller (PLC) ........................ BAB III METODOLOGI ......................................................... 3.1. Tahapan-Tahapan Penelitian ..................................... Tahap Definisi dan Pembagian Tugas....................... Tahap Penentuan Persyaratan Produk ...................... Tahap Perancangan Sistem Pengisian.......................
v
i iii iv v vii ix x xi 1 1 3 3 4 4 5 5 5 6 6 7 7 7 8 12 13 25 26 39 39 39 39 39
Tahap Perancangan Sistem Penyusun Tutup Botol ... 40 Tahap Perancangan Otomatisasi............................... 40 Tahap Perhitungan Biaya .......................................... 40 3.2. Flowchart General Perancangan Bagian Pengisian, Penyusunan Tutup Botol dan Otomatisasi ................. 40 Bagian pengisian........................................................ 40 Bagian Penyusunan Tutup Botol................................ 42 Bagian Otomatisasi .................................................... 44 3.3. Gambar Rancangan.................................................... 45 3.4. Prinsip Kerja .............................................................. 47 BAB IV PERANCANGAN SISTEM PENGISIAN ................ 49 4.1. Perhitungan Daya Pompa........................................... 49 4.2. Perhitungan Gaya Reaksi........................................... 60 4.3. Perancangan Sistem Pendorong Botol ....................... 68 BAB V PERANCANGAN SISTEM PENGATURAN TUTUP BOTOL...................................................... 77 5.1. Perhitungan Sudut Bak Pemutar Tutup...................... 77 5.2. Perhitungan Torsi....................................................... 84 5.3. Daya Motor ................................................................ 85 5.4. Rel dan Pelurus Tutup................................................ 86 BAB VI PERANCANGAN OTOMATISASI ......................... 89 6.1. Input Output............................................................... 89 6.2. Diagram pewaktuan dan Timer Yang Digunakan ..... 91 6.3. Pengalamatan input otput........................................... 94 6.4. Cara Menggambar Ladder Diagram .......................... 95 6.5. Ladder Diagram ......................................................... 97 6.6. Download Program/Ladder Diagram......................... 101 6.7. Prosedur Operasi........................................................ 104 6.8. Desain Otomatisasi Alternatif.................................... 105 BAB VII ANALISA BIAYA .................................................... 117 BAB VIII KESIMPULAN DAN SARAN ................................ 119 8.1. Kesimpulan ............................................................... 119 8.2. Saran ......................................................................... 123 DAFTAR PUSTAKA................................................................ 125
vi
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Tutup botol ............................................................ 5 Gambar 2.2.Free body diagram tutup botol............................... 5 Gambar 2.3 Bodi botol .............................................................. 6 Gambar 2.4 Alur sizing desain .................................................. 14 Gambar 2.5 Gaya pada silinder ................................................. 16 Gambar 2.6 Sistem layout dan hubungan PLC ......................... 27 Gambar 2.7 Simbol NO............................................................. 30 Gambar 2.8 Simbol NC ............................................................ 30 Gambar 2.9 Simbol CR ............................................................. 30 Gambar 2.10 Diagram instruksi LD dan LDNOT .................... 31 Gambar 2.11 Diagram instruksi AND dan ANDNOT .............. 31 Gambar 2.12 Diagram instruksi OR dan ORNOT .................... 32 Gambar 2.13 Ladder instruksi END.......................................... 32 Gambar 2.14 Proses pembacaan................................................ 34 Gambar 2.15 Pembacaan pergaris ............................................. 35 Gambar 2.16 Fungsi pewaktu dengan satu masukan................. 35 Gambar 2.17 Fungsi pewaktu dengan dua masukan ................. 36 Gambar 2.18 Fungsi pewaktu dengan tiga masukan ................. 36 Gambar 2.19 Fungsi pencacah .................................................. 37 Gambar 2.20 Fungsi pencacah kombinasi................................. 37 Gambar 3.1 Flow Chart Perancangan Sistem Pengisian............ 41 Gambar 3.2 Flow Chart Penentuan Daya Pemutar Penyusun Tutup Botol .......................................... 43 Gambar 3.3 Flow Chart Perancangan Otomatisasi ......................... 44 Gambar 3.4 Gambar keseluruhan sistem.................................... 45 Gambar 3.5 Gambar sistem pengisian....................................... 46 Gambar 3.6 Gambar sistem penyusunan tutup botol................. 47 Gambar 4.1 Pandangan samping sistem pengisian.................... 49 Gambar 4.2 Instalasi perpipaan ................................................. 50 Gambar 4.3 Valve dan nozzle ................................................... 50 Gambar 4.4 Elbow...................................................................... 53 Gambar 4.5 Elbow pada header ................................................ 54
vii
Gambar 4.6 Standard tee..................................................... 54 Gambar 4.7 Free body diagram sistem pengisian ............... 60 Gambar 4.8 Frame pengisian .............................................. 66 Gambar 4.9 Sistem pendorong............................................ 68 Gambar 4.10 Pandangan atas sistem pendorong.................. 68 Gambar 4.11 Stopper .......................................................... 69 Gambar 4.12 Sirkit pneumatik ............................................ 75 Gambar 5.1 Pengatur tutup ................................................ 77 Gambar 5.2 Free body diagram tutup botol ketika diputar untuk semua kondisi ......................... 77 Gambar 5.3 Dimensi tutup botol (dalam mm) .................... 78 Gambar 5.3 Gaya sentrifugal searah Wsinβ........................ 83 Gambar 5.5 Rel tutup .......................................................... 86 Gambar 5.6 Pelurus tutup ................................................... 87 Gambar 6.1 Box kontrol...................................................... 90 Gambar 6.2 Diagram pewaktuan ........................................ 91 Gambar 6.3 Timer yang digunakan..................................... 92 Gambar 6.4 Jendela STEP 7-Micro/WIN 32 ...................... 95 Gambar 6.5 Ladder diagram............................................ . 100 Gambar 6.6 Menu Stop...................................................... 101 Gambar 6.7 Pilihan mode.................................................. 101 Gambar 6.8 Toolbar download.......................................... 102 Gambar 6.9 Pilihan yang didownload............................... 102 Gambar 6.10 Proses download sukses............................... 102 Gambar 6.11 Instalasi hardware input output.................... 103 Gambar 6.12 Penempatan sensor pada desain otomatis.... 105 Gambar 6.13 Ladder diagram otomatisasi alternatif......... 115
viii
DAFTAR GRAFIK Grafik 2.1 Koefisien minor losses sudden contraction (penyempitan) dan sudden enlargement (pembesaran) ....................................... Grafik 2.2.Koefisien minor losses untuk diffuser ..................... Grafik 2.3 Koefisien minor losses untuk pipa bend dan elbow. Grafik 2.4 Normograf seleksi diameter dalam silinder ............. Grafik 2.5 Grafik kemampuan absorbsi (W-v).......................... Grafik 2.6 Konstanta K ............................................................. Grafik 2.7 Efektif sectional area dari selang nylon ................... Grafik 2.8 Efektif sectional area dari pipa besi .........................
ix
9 10 11 17 19 20 22 23
DAFTAR TABEL Tabel 1.1 Tingkat Kesulitan Proses Produksi............................ 2 Tabel 1.2 Mesin Pengemas Botol.............................................. 2 Tabel 2.1 Koefisien minor losses untuk pipa............................ 8 Tabel 2.2 Koefisien minor losses untuk nozzle......................... 10 Tabel 2.3 Koefisien minor losses untuk valve dan fitting......... 12 Tabel 2.4 Koefisien friksi ( μ ) ……………………………….. 16 Tabel 2.5 Tabel rumus gaya pneumatik..................................... 16 Tabel 2.6 Efektif sectional area dari valve................................ 20 Tabel 2.7 Efektif sectional area dari speed controller............... 20 Tabel 2.8 Efektif sectional area dari silencer............................. 21 Tabel 2.9 Seleksi unit FRL........................................................ 25 Tabel 6.1 Input dan output......................................................... 94 Tabel 7.1 Biaya bahan................................................................ 94
x
NOMENKLATUR Simbol
Keterangan Bagian Pengisian
Satuan
Q
Debit air
A p
Luas Tekanan Kecepatan rata-rata air dalam pipa Ketinggian Koefisien energi kinetik head
m2
Reynolds number Massa jenis
kg
V z
α Δh Re
ρ μ T D HLT hL hlm
f e L Le K r
m3
Viskositas absolut
s
m2 atm
m2
s
m
Ns o
s2
m3 m2
C m
Temperatur Diameter pipa Head loss total
m2
Head loss mayor
m
Head loss minor
m2
s2
2
s2 s2
Friction faktor Roughness Panjang pipa Panjang pipa ekuivalen dari pipa lurus Koefisien loss Radius elbow xi
mm m m
cm
θ W& P
η
degrees hp
Sudut defleksi elbow Daya pompa
hp
Daya motor Efisiensi
0
0
Gaya Reaksi Fs FB W Ry P
v t s b
Surface force Body force Berat Gaya reaksi arah y Gaya pada frame filling Kecepatan air dalam pipa
σn
Tinggi frame filling Lebar frame filling Lebar penampang filling Panjang penampang filling Tegangan normal
σm
Tegangan bending
Fn Syp N
Gaya normal Tensile yield strength Safety faktor
h
N N N N N
m
s2
frame
cm cm mm
frame
mm
N
N
m2
m2
N psi
Pneumatik P t L W
μ
N
Working pressure Waktu gerak stroke Stroke silinder Berat beban Koefisien friksi Frekwensi operasi
xii
kgf
cm 2
s mm kgf
cycle
min
l F
ω D
v
Panjang pipa Beban silinder Load faktor
m kgf
Diameter silinder Speed/kecepatan silinder
cm
0
vo
Speed/kecepatan maksimum
E S
Enegi kinetik
Sa Sb Sc Sd Vo
ΔV Q
silinder
Efektif sectional area gabungan Efektif sectional area valve Efektif sectional area speed controller Efektif sectional area silencer Efektif sectional area pipa Volume exhaust silinder Volume exhaust pipa Air capacity
0
mm mm
s s
kgf .m mm2
mm2 mm2 mm2 mm2
l l l / min
Bagian Pemutar Tutup
W
β
Fs m V R
ρ d n t
Gaya berat Sudut bak pemutar tutup terhadap arah horisontal Gaya sentrifugal Massa tutup Kecepatan Jari-jari disk pemutar tutup Masa jenis Diameter tutup Putaran disk Jarak pusat massa tutup dari
xiii
N degree N gram
m2
s
cm
kg
m3
mm rpm mm
h T I
α
atas Jarak pusat massa tutup dari rongga bawah Torsi Inersia Percepatan sudut
mm Nm m4
rad
N
μk
Gaya normal Koefisien gesik kinetik
g
Percepatan gravitasi
m
F K
Gaya pegas Konstanta pegas
N
x HP
Defleksi pegas Daya motor
s
N
s2
N
m
m hp
xiv
