RANCANG BANGUN MINIATUR PALANG PINTU PERLINTASAN KERETA API BERBASIS PLC
LAPORAN TUGAS AKHIR Disusun Guna Memenuhi Persyaratan Untuk Menyelesaikan Program Diploma III
oleh: AFDAL AMINUDDIN SIREGAR
ANWAR CLINTON HARAHAP
NIM: 1205031003
NIM: 1205031011
FRANSCIUS B. NAINGGOLAN
MUHAMMAD ANSHARI
NIM: 1205031021
NIM: 1205031033
PROGRAM STUDI TEKNIK LISTRIK JURUSAN TEKNIK ELEKTRO POLITEKNIK NEGERI MEDAN MEDAN 2015
ABSTRAK Penggunaan automatisasi pada berbagai bidang merupakan bukti bahwa teknologi semakin berkembang. Seiring berkembangnya teknologi maka palang pintu perlintasan kereta api juga ikut mengalami perkembangan lebih baik dari segi sistem maupun konstruksi. Pengontrolan miniatur palang pintu perlintasan kereta api yang telah dirancang, pengontrolannya terbagi dua, yaitu manual dan automatis. Kontrol manualnya menggunakan kontrol relay konvensional, dan pengontrolan automatisnya menggunakan Programmable Logic Controller (PLC) LS MASTER K80S. Dalam laporan ini penulis menjelaskan teori-teori singkat tentang bahan-bahan yang digunakan dalam miniatur, diantaranya yaitu: PLC, relay, motor DC, tombol tekan, sensor proximity, limit switch dan lampu indikator. Semua itu perlu penjelasan tentang jenis dan fungsinya agar perancang dapat memilih bahan dan menggunakannya sesuai dengan kebutuhan dalam merancang sistem palang pintu perlintasan kereta api berbasis PLC. Pembuatan tugas akhir ini dimaksudkan untuk menerapkan ilmu yang telah dipelajari dan juga bertujuan untuk mencari solusi dari suatu permasalahan yang terjadi di perlintasan kereta api. Tugas akhir ini diharapkan bermanfaat untuk mempermudah penjaga palang pintu perlintasan kereta api dalam melaksanakan tugasnya, serta meminimalisir kecelakaan yang terjadi di perlintasan kereta api. Hasil perancangan menunjukkan dari 10 kali percobaan sistem mampu menunjukkan hasil yang optimal dengan ketepatan 100 %. Yang artinya sensor proximity dapat mendeteksi datang dan perginya kereta api pada saat melintas dari dua arah. Palang pintu, buzzer, dan lampu lalu lintas juga bekerja sesuai perintah PLC.
Kata Kunci: Palang Pintu Perlintasan, PLC, Motor DC, Sensor Proximity
iii
KATA PENGANTAR Alhamdulillah, Puji dan syukur atas kehadirat Allah SWT, atas nikmat dan karunia-Nya yang telah memberikan pengetahuan, kesehatan, dan kesempatan kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan laporan tugas akhir ini. Laporan ini berjudul “RANCANG BANGUN MINIATUR PALANG PINTU PERLINTASAN KERETA API BERBASIS PLC”. Laporan ini disusun sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan Diploma III Jurusan Teknik Elektro Program Studi Teknik Listrik di Politeknik Negeri Medan. Dalam menyelesaikan laporan ini, penulis telah banyak memperoleh bimbingan dan bantuan dan dorongan dari berbagai pihak. Oleh sebab itu selayaknya penulis mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. M. Syahruddin, M.T, sebagai Direktur Politeknik Negeri Medan. 2. Ir. Junaidi, M.T, sebagai Ketua Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Medan. 3. Ir. Gunoro, M.T, sebagai Kepala Program Studi Teknik Listrik Politeknik Negeri Medan. 4. Drs. Robert Samosir, M.T, sebagai dosen pembimbing yang telah memberikan waktu, perhatian, petunjuk dan arahan serta membimbing penulis dengan sabar dalam pengerjaan tugas akhir ini hingga selesai. 5. Ir. Rafian Nauli Hasibuan, M.T, sebagai dosen wali kelas EL-6B yang telah banyak memotivasi penulis dalam penyusunan tugas akhir ini dan mengajarkan banyak hal sehingga penulis memperoleh banyak ilmu. 6. Seluruh dosen dan staf pengajar Politeknik Negeri Medan yang telah sabar dan tabah dalam mengajar di Polteknik negeri Medan. 7. Buat Ayahanda dan Ibunda serta saudara kami yang tercinta yang telah memberi dukungan baik dalam semangat, nasihat, serta materi terlebih dalam dukungan doa sehingga kami dapat menyelesaikan pendidikan Diploma III Politeknik Negeri Medan. 8. Seluruh sahabat seperjuangan dalam menuntut ilmu di Politeknik Negeri Medan.
iv
Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan laporan ini. Semoga Allah SWT senantiasa memberikan rahmat serta hidayahnya kepada kita semua. Semoga laporan ini bermanfaat bagi siapapun yang membacanya. Selain itu kritik dan saran yang membangun juga diharapkan penulis sebagai modal awal dalam perbaikan.
Medan, 28 Agustus 2015 Hormat kami,
Penyusun
v
DAFTAR ISI LEMBAR PESETUJUAN .................................................................................. i LEMBAR PENGESAHAN ................................................................................ ii ABSTRAK......................................................................................................... iii KATA PENGANTAR ....................................................................................... iv DAFTAR ISI ..................................................................................................... vi DAFTAR GAMBAR......................................................................................... ix DAFTAR TABEL ............................................................................................. xi BAB 1 ................................................................................................................. 1 PENDAHULUAN .............................................................................................. 1 1.1
Latar Belakang ...................................................................................... 1
1.2
Rumusan Masalah.................................................................................. 2
1.3
Batasan Masalah .................................................................................... 3
1.4
Tujuan ................................................................................................... 3
1.5
Manfaat ................................................................................................. 3
1.6
Metode Pengumpulan Data .................................................................... 3
1.6.1
Metode Literatur ............................................................................. 3
1.6.2
Metode Diskusi............................................................................... 3
1.6.3
Metode Perakitan dan Pengujian ..................................................... 4
1.7
Deskripsi Kerja Alat .............................................................................. 4
BAB 2 ................................................................................................................. 5 LANDASAN TEORI ......................................................................................... 5 2.1
PLC (Programmable Logic Control) ...................................................... 5
2.1.1
Sejarah dan perkembangan ............................................................. 5
2.1.2
Pengertian PLC............................................................................... 6
2.1.3
Keuntungan Penggunaan PLC- ....................................................... 7
2.1.4
Hardware ........................................................................................ 8
2.1.5
Desain Mekanik Sistem PLC .......................................................... 9
2.1.6
Arsitektur Internal......................................................................... 11
2.1.7
Bus ............................................................................................... 12
2.1.8
Memori......................................................................................... 13
2.1.9
Unit Input/Output ......................................................................... 15
vi
2.1.10
Menghubungkan Piranti Masukan dan Keluaran. .......................... 18
2.1.11
Pemrograman Diagram Ladder Untuk PLC................................... 24
2.2
Motor DC ............................................................................................ 26
2.2.1
Pengertian Motor DC .................................................................... 26
2.2.2
Prinsip Kerja Motor DC ................................................................ 27
2.2.3
Prinsip Arah Putaran Motor .......................................................... 31
2.2.4
Spesifikasi Motor Power Window................................................. 31
2.3
Relay ................................................................................................... 32
2.4
Push Button ......................................................................................... 33
2.5
Limit Switch ........................................................................................ 34
2.6
Selektor Switch.................................................................................... 36
2.7
Transformator ...................................................................................... 36
2.7.1
Pengertian Transformator (Trafo) ................................................. 36
2.7.2
Prinsip Kerja Transformator (Trafo) ............................................. 37
2.7.3
Spesifikasi Transformator (Trafo) ................................................. 39
2.8
Dioda Rectifier Full Bridge .................................................................. 39
2.8.1 2.9
Penyearah gelombang penuh (full-wave rectifier) ......................... 39
Gear (Roda Gigi) ................................................................................. 41
2.9.1
Pengertian..................................................................................... 41
2.9.2
Prinsip Roda Gigi ......................................................................... 42
2.9.3
Profil Roda Gigi ........................................................................... 42
2.9.4
Jenis Roda Gigi (Gear) ................................................................. 44
2.10 Proximity Sensor (Sensor Jarak) .......................................................... 45 2.10.1
Jarak Deteksi ................................................................................ 46
2.10.2
Pengaturan jarak ........................................................................... 46
2.11 Lampu Indikator .................................................................................. 47 2.12 Tombol Tekan dengan Penguncian ...................................................... 48 BAB 3 ............................................................................................................... 49 PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT ............................................. 49 3.1. Diagram Blok Dan Prinsip Kerjanya .................................................... 49 3.1.1
Automatis Operation..................................................................... 49
3.1.2
Manual Operation ......................................................................... 50
3.2. Deskripsi Kerja .................................................................................... 50
vii
3.2.1
Automatis Operation..................................................................... 50
3.2.2
Manual Operation ......................................................................... 50
3.3. Perancangan Konstruksi Miniatur Palang Pintu Perlintasan Kereta Api 51 3.3.1.
Perancangan Kerangka Papan Simulasi Perlintasan Kereta Api ..... 51
3.3.2.
Perancangan Panel Kontrol Otomatis dan Manual Operation ........ 52
3.4. Penentuan Jenis Motor yang Digunakan............................................... 52 3.5. Perancangan Sistem Kontrol dan Pengawatan ...................................... 53 3.5.1. Perancangan Program Ladder Untuk Automatis Operation Menggunakan Software KGL WIN ............................................................. 53 3.5.2.
Rancana Pemasangan Pengaman................................................... 58
3.5.3.
Perhitungan Tegangan Output Penyearah ..................................... 59
3.5.4. Perancangan Pengawatan Automatis/Manual Operation Secara Konvensional .............................................................................................. 60 3.6. Langkah Kerja Sistem .......................................................................... 66 3.6.1.
Penjelasan langkah kerja sistem .................................................... 68
3.7. Alat dan Bahan yang Digunakan .......................................................... 69 3.7.1.
Alat yang Digunakan .................................................................... 69
3.7.2.
Bahan yang Digunakan ................................................................. 70
1.6
Spesifikasi Khusus Komponen Yang Digunakan ................................. 71
BAB 4 ............................................................................................................... 73 PENGUJIAN DAN ANALISA ........................................................................ 73 4.1
Pengujian ............................................................................................. 73
4.2
Analisa ................................................................................................ 75
4.2.1
Ladder Diagram ............................................................................ 75
4.2.2
Instruksi Mnemonic menggunakan software KGL WIN ................ 76
4.2.3
Pengaman ..................................................................................... 76
4.2.4
Pengujian Kecepatan Tutup Palang ............................................... 76
BAB 5 ............................................................................................................... 79 PENUTUP ........................................................................................................ 79 5.1
Kesimpulan ......................................................................................... 79
5.2
Saran ................................................................................................... 79
DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................... 80 LAMPIRAN ..................................................................................................... 81
viii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2. 1 Arsitektur PLC .............................................................................. 11 Gambar 2. 2 Isolator Optik. ................................................................................ 16 Gambar 2. 3 Diagram Blok Modul Input Interface AC. ...................................... 16 Gambar 2. 4 Diagram Blok Modul Output Interface AC. ................................... 17 Gambar 2. 5 Rangkaian Input DC Dasar. ........................................................... 17 Gambar 2. 6 Rangkaian Input AC Dasar. ........................................................... 17 Gambar 2. 7 Rangkaian Output AC Dasar. ......................................................... 18 Gambar 2. 8 Ilustrasi Terminal COMM.............................................................. 19 Gambar 2. 9 Hubungan Sensor Output (sinking) dengan Input (Sorcing). ........... 20 Gambar 2. 10 Hubungan Sensor Output (source) dengan Input (singking).......... 20 Gambar 2. 11 Hubungan Beban Output dengan Output PLC (singking) ............. 21 Gambar 2. 12 Hubungan Beban Output dengan Output PLC (source). ............... 21 Gambar 2. 13 Output Tipe Relay........................................................................ 22 Gambar 2. 14 Bentuk Dasar Output Tipe Transistor. .......................................... 22 Gambar 2. 15 Unit I/O Diagram Konvensional................................................... 23 Gambar 2. 16 Unit I/O PLC. .............................................................................. 24 Gambar 2. 17 Sistem Hardware PLC.................................................................. 24 Gambar 2. 18 Membaca Sebuah Program Tangga .............................................. 26 Gambar 2. 19 Motor DC sederhana .................................................................... 27 Gambar 2. 20 Medan magnet yang membawa arus mengelilingi konduktor ....... 27 Gambar 2. 21 Medan magnet yang membawa arus mengelilingi konduktor ....... 28 Gambar 2. 22 Medan magnet mengelilingi konduktor dan diantara kutub .......... 28 Gambar 2. 23 Reaksi Garis Fluks ....................................................................... 28 Gambar 2. 24 Prinsip kerja motor DC ................................................................ 30 Gambar 2. 25 Relay ........................................................................................... 32 Gambar 2. 26 Push Button ................................................................................. 33 Gambar 2. 27 Limit Switch ................................................................................ 35 Gambar 2. 28 Selektor switch ............................................................................ 36 Gambar 2. 29 Transformator .............................................................................. 37 Gambar 2. 30 Fluks pada Transformator ............................................................ 38
ix
Gambar 2. 31 Aliran tegangan ketika posisi positif di atas.................................. 40 Gambar 2. 32 Aliran tegangan ketika posisi positif di bawah ............................. 40 Gambar 2. 33 Grafik sinyal dari penyearah gelombang penuh dengan jembatan dioda.................................................................................................................. 41 Gambar 2. 36 Roda gigi (Gear) .......................................................................... 42 Gambar 2. 37 Proximity Sensor ......................................................................... 45 Gambar 2. 38 jarak deteksi................................................................................. 46 Gambar 2. 39 Pengaturan jarak .......................................................................... 46 Gambar 2. 40 Output Proximity Switch ............................................................. 47 Gambar 2. 41 Lampu indikator .......................................................................... 48 Gambar 2. 42 Tombol tekan dengan penguncian ................................................ 48 Gambar 3. 1 Diagram Blok Automatis Operation ............................................... 49 Gambar 3. 2 Diagram Blok Manual Operation ................................................... 50 Gambar 3. 3 Kerangka Meja Simulasi Tanpa Komponen Simulasi ..................... 51 Gambar 3. 4 Kerangka Meja Simulasi Dengan Komponen Simulasi .................. 51 Gambar 3. 5 Panel Kontrol Otomatis dan Manual Operation .............................. 52 Gambar 3. 6 Membuka Program KGL_WIN ...................................................... 54 Gambar 3. 7 Jendela Program KGL_WIN .......................................................... 54 Gambar 3. 8 Jendela untuk Menentukan Tipe PLC............................................. 55 Gambar 3. 9 Jendela Program Baru .................................................................... 55 Gambar 3. 10 Membuat NO dan NC .................................................................. 56 Gambar 3. 11 Membuat Output .......................................................................... 56 Gambar 3. 12 Rangkaian Ladder ........................................................................ 57 Gambar 3. 13 Flowchart Sistem Operasi Otomatis ............................................. 66 Gambar 3. 14 Flowchart Sistem Operasi Manual ............................................... 67 Gambar 3. 15 (A) dan (B) Layout Panel ............................................................. 72
x
DAFTAR TABEL Tabel 3. 1 Input PLC dan hubungannya ............................................................. 69 Tabel 3. 2 Output PLC dan hubungannya ........................................................... 69 Tabel 3. 3 Daftar Peralatan................................................................................. 69 Tabel 3. 4 Daftar Bahan ..................................................................................... 70 Tabel 4. 1 Percobaan 1 ....................................................................................... 77 Tabel 4. 2 Percobaan 2 ....................................................................................... 77 Tabel 4. 3 Percobaan 3 ....................................................................................... 78
xi
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1
Latar Belakang Perkembangan teknologi saat ini telah merambah ke segala aspek
kehidupan. Teknologi membuat segala sesuatu yang kita lakukan menjadi lebih mudah. Manusia selalu berusaha untuk menciptakan sesuatu yang dapat mempermudah aktifitasnya, hal inilah yang mendorong perkembangan teknologi yang telah banyak menghasilkan alat sebagai piranti untuk mempermudah kegiatan manusia bahkan mengganti peran manusia dalam suatu fungsi tertentu. Teknologi memegang peran penting di era modernisasi seperti pada saat ini, dimana teknologi telah menjadi bagian yang tidak dapat dipisahkan dalam kegiatan sehari-hari, sehingga saat ini kita dimanjakan oleh adanya alat-alat yang dapat memberikan kemudahan. Kereta api adalah salah satu sarana transportasi yang banyak digunakan masyarakat Indonesia untuk berpergian dari suatu tempat ketempat lainnya. Kereta api merupakan alat transportasi massal yang umumnya terdiri dari lokomotif (kendaraan dengan tenaga gerak yang berjalan sendiri) dan rangkaian kereta atau gerbong (dirangkaikan dengan kendaraan lainnya). Rangkaian kereta atau gerbong tersebut berukuran relatif luas sehingga mampu memuat penumpang maupun barang dalam skala besar. Seiring berkembangnya zaman baik dari segi teknologi
maupun
dari
segi
lainnya,
khususnya
dibidang
transportasi
perkeretaapian maka diperlukan sesuatu terobosan atau inovasi yang dapat meningkatkan kemajuan khususnya tingkat keamanan, sering kali kita mendengar terjadi kecelakaan kereta api di pintu perlintasan kereta. Kecelakan yang terjadi misalnya tabrakan antara mobil yang sedang lewat dengan kereta, ataupun kereta menabrak orang yang sedang berjalan melintasi rel kereta api karena faktor tertentu, bisa terjadi karena ketidakdisiplinan para pengguna jalan, atau juga penjaga pintu perlintasan kereta yang lalai dalam melaksanakan tugasnya. Bagaimanapun perkereta apian di Indonesia masih harus dikembangkan di masamasa mendatang.
1
Penyebab tingginya kecelakaan kereta api merupakan akumulai dari banyak faktor, diantara masalah regulasi, manajemen, kondisi prasarana dan sarana, SDM, dan lain-lain. Sejak beberapa tahun terakhir ini palang pintu kereta api menjadi salah satu penyebab terjadinya kecelakaan lalu lintas. Hal ini dikarenakan minimnya sarana keamanan dan rambu-rambu peringatan di semua palang pintu kereta api. Salah satu penyebabnya terjadi kecelakan tersebut umumnya karena tidak adanya pintu perlintasan, atau kegagalan pintu menutup saat dibutuhkan atau kegagalan operator untuk memerintahkan penutupan (human error). Dapat kita lihat beberapa kelemahan pada sistem tersebut seperti ketergantungan yang sangat tinggi pada operator sehingga banyak kecelakaan terjadi akibat operator tidak ada di tempat, operator tertidur karena lelah atau jenuh, operator kurang cepat bertindak atau operator kurang waspada. Kelemahan lain adalah operator tidak menerima sinyal sebagaimana seharusnya, sehinnga operator tidak bertindak mengendalikan palang pintu. Hal ini menimbulkan banyak korban jiwa, baik yang luka-luka maupun meninggal serta sejumlah kerugian material lainnya. Untuk mengatasi semua permasalah tersebut, penulis membuat “Rancang Bangun Palang Pintu Perlintasan Kereta Api Berbasis PLC” sebagai judul tugas akhir penulis. Alat ini diharapkan dapat membantu dalam membuka dan menutup palang pintu kereta api secara otomatis serta dilengkapi dengan ramburambu peringatan dini yang otomatis pula sehingga mengurangi resiko terjadinya kecelakaan lalu lintas.
1.2
Rumusan Masalah Topik bahasan atau permasalahan yang dibahas dalam proposal ini adalah: 1. Bagaimana cara merancang dan membuat simulasi palang pintu perlintasan kereta api? 2. Bagaimana cara memprogram PLC sebagai alat pengontrol dan pemonitoran sistem kerja alat tersebut?
2
1.3
Batasan Masalah Tugas akhir ini membahas tentang aplikasi PLC untuk pengontrolan
palang pintu kereta api. Dalam pembahasan dan penulisan laporan tugas akhir ini, penulis membatasi permasalahan pada ruang lingkup: 1. Pengontrolan palang pintu kereta api 2. Pengontrolan traffic light pada perlintasan kereta api 3. Pengontrolan sirene pada perlintasan kereta api
1.4
Tujuan Adapun tujuan dari penulisan laporan tugas akhir ini adalah:
1. Menerapkan ilmu pengetahuan yang telah diperoleh selama mengikuti pendidikan di Program Studi Teknik Listrik. 2. Mencari solusi dari suatu permasalahan yang di hadapi di lapangan dan mencoba mencari jalan keluarnya.
1.5
Manfaat Mengurangi jumlah kecelakaan yang terjadi di perlintasan kereta api
1.6
Metode Pengumpulan Data Adapun metode pengumpulan data yang diterapkan oleh penulis dalam
penyelesaian laporan Tugas Akhir adalah: 1.6.1 Metode Literatur Untuk memperoleh bahan referensi, penulis membaca berbagai pustaka, seperti pada buku-buku dan materi-materi yang terdapat di internet yang berhubungan dengan penulisan laporan tugas akhir ini. 1.6.2 Metode Diskusi Konsultasi kepada dosen pembimbing dan berdiskusi dengan alumni yang berkerja di bidang automatisasi atau sistem kendali.
3
1.6.3 Metode Perakitan dan Pengujian Untuk mendapatkan hasil yang diinginkan, maka penulis mengadakan praktik perakitan alat secara langsung dan melakukan pengujian alat secara langsung.
1.7
Deskripsi Kerja Alat Rancang Bangun Miniatur Palang Pintu Perlintasan Kereta Api Berbasis
PLC ini akan mendeteksi kedatangan kereta api dengan sensor logam (proximity sensor) dari jarak tertentu yang akan kami sesuaikan dengan data kecepatan laju kereta api yang mendekati perlintasan palang pintu. Hasil pembacaan sensor akan diberikan informasinya pada perangkat kontroler PLC yang digunakan, lalu PLC akan memberikan output yaitu lampu indikator warna kuning akan menyala dan mengaktifkan timer. Dalam waku yang akan disesuaikan dengan kecepatan kereta api, maka timer akan mengenergizer rele yang akan menghubungkan listrik ke motor yang akan menutup palang pintu kereta api. Setelah melewati perlintasan palang pintu, dengan jarak tertentu maka kereta api terdeteksi oleh sensor logam yang ke 2. Saat sensor logam yang ke 2 mendeteksi kedatangan kereta api, maka sensor akan memberikan input pada PLC, lalu PLC akan melakukan perintah ke rele yang akan merubah polaritas motor, maka motor akan balik putar dan akan membuka palang pintu yang telah tertutup. Berhubungan dengan mulai membukanya palang pintu, maka akan memadamkan lampu tanda lalu lintas yang berwarna merah. Bersamaan dengan terbukanya palang pintu, maka lampu lalu lintas berwarna hijau akan menyala,
4
