PROGRAM LOGIC CONTROLLER PLC DAN MOTOR INDUKSI SATU FASA

Rizal Pinem : Pengaturan Motor Induksi Satu Fasa Berbasis PLC, Aplikasi Pada pada Laboratorium Konversi Energi Teknik Elektro USU, 2011

BAB II PLC DAN MOTOR INDUKSI SATU FASA

2.1 PROGRAM LOGIC CONTROLLER

2.1.1 Umum Program Logic Controller atau yang sebut dengan PLC merupakan suatu bentuk khusus pengontrol berbasis-mikroprosesor yang memanfaatkan memori yang dapat di program untuk menyimpan instruksi-instruksi dan mengimplementasikan fungsi-fungsi semisal logika, berurutan sequencing, pewaktuan timing, pencacahan dan aritmetika guna mengontrol mesin-mesin dan proses-proses, dan di rancang untuk di operasikan oleh para insinyur yang memiliki pengetahuan mengenai komputer dan bahasa pemograman. Piranti ini dirancang sedemikian rupa agar tidak hanya para programmer komputer saja yang dapat membuat dan mengubah program-programnya. Oleh karena itu, para perancang PLC telah menempatkan sebuah program awal di dalam piranti ini pre-program yang memungkinkan program-program kontrol dimasukkan dengan menggunakan suatu bentuk bahasa pemograman yang sederhana dan mudah di mengerti. Istikah logika logic dipergunakan karena pemograman yang harus dilakukan sebagian besar berkaitan dengan pengimplementasian operasi- operasi logika dan penyambungan switching. PLC memiliki beberapa keunggulan, ini karena sebuah perangkat pengontrol yang sama dapat dipergunakan di dalam beraneka ragam sistem kontrol. Untuk memodifikasi sebuah sistem kontrol dan aturan-aturan pengontrolan yang di jalankannya, yang harus dilakukan oleh seorang operator Rizal Pinem : Pengaturan Motor Induksi Satu Fasa Berbasis PLC, Aplikasi Pada pada Laboratorium Konversi Energi Teknik Elektro USU, 2011 hanyalah memasukkan seperangkat instruksi yang berbeda dari yang digunakan sebelumnya. Penggantian rangkaian kontrol tidak perlu dilakukan. Hasilnya adalah sebuah perangkat yang fleksibel dan hemat biaya yang dapat dipergunakan dalam sistem-sistem kontrol yang sifat dan kompleksitasnya sangat beragam. Beberapa kelebihan PLC jika dibandingkan dengan sistem kontrol proses konvensional, antara lain : Referensi Nomor 1 dan 4 1. Dibandingkan dengan sistem kontrol proses konvensional, jumlah kabel yang dibutuhkan bisa berkurang didalam wiring nya. 2. PLC mengkonsumsi daya lebih rendah dibandingkan dengan sistem kontrol proses konvensional berbasis relay. 3. Fungsi diagnostik pada sebuah kontroler PLC memberikan pendeteksian kesalahan yang mudah dan cepat. 4. Perubahan pada urutan operasional atau proses atau aplikasi dapat dilakukan dengan mudah, hanya dengan melakukan perubahan atau penggantian program, baik melalui terminal konsol maupun komputer PC. 5. Tidak membutuhkan spare part yang banyak, perangkat kontroler sederhana. 6. Lebih mudah dibandingkan dengan sistem konvensional, khususnya dalam kasus penggunaan instrument IO yang cukup banyak dan fungsi operasional prosesnya cukup kompleks. 7. Ketahanan PLC jauh lebih baik dibandingkan dengan relay auto-mekanik. 8. Dokumentasi gambar sistem lebih sederhana dan mudah dimengerti. 9. Standarisasi sistem kontrol lebih mudah diterapkan. 10. Pemograman yang ampuh dan disimpan didalam memori Rizal Pinem : Pengaturan Motor Induksi Satu Fasa Berbasis PLC, Aplikasi Pada pada Laboratorium Konversi Energi Teknik Elektro USU, 2011 11. Aplikasi yang universal karena suatu program ditentukan oleh fungsi yang tersedia. 12. Commissioning dan trouble shooting lebih mudah dengan menggunakan fungsi yang tersedia. 13. Programnya dapat menggunakan teks dan grafik. 14. Dapat menerima kondisi lingkungan yang berat. 15. Produksi yang relatif besar Sedangkan kelemahan sistem dengan penggunaan PLC adalah biaya investasi awal lebih mahal dibandingkan dengan sistem kontrol konvensional penggunaan kontaktor dan saklar. Perangkat PLC pertama dikembangkan pada tahun 1969. Dewasa ini PLC secara luas digunakan dan telah dikembangkan dari unit-unit kecil yang berdiri sendiri self-contained yang hanya mampu menangani sekitar 20 inpitoutput menjadi sistem-sistem modular yang dapat menangani inputoutput dalam jumlah besar, menangani inputoutput analog maupun digital, dan melaksanakan mode- mode kontrol proporsional-integral-derivatif. Berdasarkan jumlah inputoutput yang di milikinya, secara umum PLC dapat dibagi tiga kelompok besar, yaitu : Referensi Nomor 1 dan 4  PLC mikro. PLC dapat dikategorikan mikro jika jumlah inputoutput pada PLC ini kurang dari 32 terminal.  PLC mini. PLC dapat dikategorikan mini jika jumlah inputoutput pada PLC ini antara 32 sampai 128 terminal.  PLC large. PLC dapat dikategorikan large jika jumlah inputoutput pada PLC ini mempunyai lebih dari 128 terminal. Rizal Pinem : Pengaturan Motor Induksi Satu Fasa Berbasis PLC, Aplikasi Pada pada Laboratorium Konversi Energi Teknik Elektro USU, 2011 Gambar 2.1 Pengelompokan PLC Berdasarkan Jumlah IO Fasilitas, kemampuan, dan fungsi yang tesedia pada setiap kategori tersebut pada umumnya berbeda satu dengan yang lainnya. Semakin sedikit jumlah inputoutput pada PLC tersebut, maka jenis instruksi yang tersedia juga semakin terbatas. Beberapa PLC bahkan dirancang semata-mata untuk menggantikan kontrol relay saja. Untuk menambah fleksibilitas penggunaannya, terutama untuk mengantisipasi perkembangan dan perluasan sistem kontrol pada aplikasi tertentu, PLC umunya dirancang modular. Artinya, inputoutput PLC berupa modul-modul yang terpisah dari rack atau unit CPU. 2.1.2 Komponen Penyusun PLC Pada dasarnya PLC sama dengan komputer namun bedanya adalah komputer dioptimalkan untuk tugas-tugas penghitungan dan penyajian data, sedangkan PLC pada dasarnya adalah adalah komputer yang didesain untuk keperluan khusus, sehingga memiliki inputoutput yang jelas dan dioptimalkan untuk tugas-tugas pengontrolan dan pengopersian di dalam lingkungan industri. Persamaan komputer dan PLC dapat dilihat pada kemiripan struktur dasar yang membentuk keduanya. Secara umum PLC terdiri dari 5 komponen penyusun dasar, yaitu : Referensi Nomor 1 dan 4 Rizal Pinem : Pengaturan Motor Induksi Satu Fasa Berbasis PLC, Aplikasi Pada pada Laboratorium Konversi Energi Teknik Elektro USU, 2011 1. Unit Prosesor atau Central Processing Unit Unit ini adalah unit yang berisi Mikroprosesor yang menginterpretasikan sinyal-sinyal input dan melaksanakan tindakan-tindakan pengontrolan, sesuai dengan program yang tersimpan di dalam memori, lalu mengkomunikasikan keputusan-keputusan yang diambilnya sebagai sinyal-sinyal kontrol ke antarmuka output. Mikroprosesor yang digunakan PLC ini dapat di kategorikan berdasarkan panjang atau ukuran jumlah bit dari register-register prosesor tersebut. Ukuran standar bit yang umum adalah 8, 16, 32 bit. Semakin panjang ukuran jumlah bit, semakin cepat proses yang terjadi pada PLC tersebut. 2. Unit Catu Daya Unit catu daya diperlukan untuk mengkonversi tegangan ac sumber menjadi tegangan rendah dc 5 V yang dibutuhkan oleh prosesor dan rangkaian- rangkaian di dalam modul-modul antarmuka input dan output. 3. Perangkat Pemograman Perangkat Pemograman dipergunkan untuk memasukkan program yang dibutukan kedalam memori. Program tersebut dibuat dengan menggunakan perangkat ini dan kemudian di pindahkan kedalam unit memori PLC. 4. Unit Memori Unit memori adalah tempat dimana program yang dipergunakan untuk melaksanakan tindakan-tindakan pengontrolan oleh mikropresesor disimpan. Pengetahuan tentang sistem memori pada PLC akan memabantu dalam memahami cara kerja PLC. Secara Umum memori dapat dibagi dalam dua kategori : volatike, dan nonvolatile. Data pada volatile memori akan hilang jika catu daya PLC mati. Memori ini juga dikenal dengan nama Random Akses Rizal Pinem : Pengaturan Motor Induksi Satu Fasa Berbasis PLC, Aplikasi Pada pada Laboratorium Konversi Energi Teknik Elektro USU, 2011 Memori. Dalam kegiatan PLC, RAM masih digunakan untuk menyimpan program pengguna aplikasi dengan menggunakan baterai sebagai back up daya jika power supplay mati. Sedangkan pada nonvolatile memori data yang tersimpan di dalamnya tidak akan hilang walaupun catu daya PLC mati. Yang termasuk kedalam nonvolatile memori adalah : Referensi Nomor 1 dan 4  Read Only Memori ROM ROM merupakan sistem yang menyediakan fasilitas penyimpanan permanen umtuk sistem operasi dan data yang tetap digunakan oleh CPU. Secara umum PLC jarang sekali menggunakan ROM untuk menyimpan program-program aplikasi pengguna, kecuali untuk apliksai-aplikasi yang program aplikasinya tidak pernah berubah. Penggunaan ROM dalam PLC umumnya digunakan untuk menyimpan bios atau program exeucutif.  Programmable Read-Only Memori PROM PROM adalah Salah satu jenis ROM, tetapi dapat diprogram ulang dengan menggunakan alat program khusus. Dalam PLC, memori jenis ini jarang sekali digunakan untuk menyimpan program pengguna. Jika pun digunakan, umumnya hanya untuk back up program saja.  Erasable Programmeble Read Only Memori EPROM Memori jenis ini adalah jenis PROM. Dalam EPROM data dapat di program setelah program sebelumnya tersimpan kemudian dihapus dengan menggunakan sinar ultraviolet.  Electrically Erasable Programmable Read Only Memori Pada umumnya, PLC menggunakan jenis memori ini untuk menyimpan program pengguna. Alasanya karena kemudahan dalam mengubah Rizal Pinem : Pengaturan Motor Induksi Satu Fasa Berbasis PLC, Aplikasi Pada pada Laboratorium Konversi Energi Teknik Elektro USU, 2011 program dalam memori tersebut, yaitu hanya dengan menggunakan perangkat pemograman PLC itu sendiri, misalnya komputer ataupun unit miniprogrammer. Memori jenis memiliki kerugian yaitu keterbatsan dalam hapus-tulisanya, yaitu 10.000 kali. Di dalam CPU PLC memori yang sering digunakan adalah PROM, EPROM, EEPROM, lihat table di bawah ini : Tabel, 2.1 Memori yang Digunakan Pada CPU PLC Jenis Aplication Eraseable by RAM User Program No ROM Fix Operational Memori No PROM User Program No EPROM User Program UV.Light EEPROM User Program Electrical Sinyal 5. InputOutput Bagian inputoutput adalah masukan dan keluaran di dalam PLC. Hal ini memungkinkan dibuatnya sambungan-sambungan antara perangkat input dengan perangkat output. Sinyal input yang mungkin tersedia pada sebuah PLC berskala besar adalah sinyal digitaldiskrit 5 V, 24 V, 110 V, 240 V. Bagian ouput sering kali digolongkan ke dalam tipe relay, tipe transistor, dan tipe triac. a. Output Relay Dengan output relay, sinyal dari output PLC digunakan untuk mengoperasikan sebuah relay dan oleh karenanya mampu menyambungkan arus dengan bilangan beberapa ampere kerangkaian eksternal. Relay tidak Rizal Pinem : Pengaturan Motor Induksi Satu Fasa Berbasis PLC, Aplikasi Pada pada Laboratorium Konversi Energi Teknik Elektro USU, 2011 Relay PLC O utput memungkinkan suatu arus kecil mensklarkan arus yang relative besar, namun juga mengisolasi PLC dari rangkian eksternal. Akan tetapi, relay relative lambat untuk dioperasikan. Output relay cocok digunakan untuk pensaklaran AC dan DC. Piranti ini mampu bertahan terhadap lecutan dan tegangan transient yang cukup tinggi. Gambar 2.2 Output Relay b. Output Transistor Output tipe ini menggunaka sebuah transistor untuk menyambungkan arus kerangkain eksternal. Hal ini memungkinkan proses pensaklaran yang jauh lebih cepat. Akan tetapi, piranti ini hanya hanya mampu menangani pensaklaran DC dan akan rusak oleh arus lebih maupun tegangan yang cukup tinggi. Sebagai pelindung dipergunakan sebuah sekring. Gambar 2.3 Output Transistor Rizal Pinem : Pengaturan Motor Induksi Satu Fasa Berbasis PLC, Aplikasi Pada pada Laboratorium Konversi Energi Teknik Elektro USU, 2011 c. Ouput Triac output tipe ini menggunakan isolator optik sebagai isolasinya, dapat digunakan untuk mengontrol beban-beban eksternal yang disambungkan kecatu daya AC. Output tipe ini hanya dapat digunakan untuk operasi-operasi AC dan sangat mudah rusak akibat arus lebih. Sekring selalu digunakan untuk melindungi output tipe ini. Output dari inputoutput adalah sinyal digital dengan level 5 V, tetapi setelah pengkondisian sinyal dengan menggunakan relay, transistor, atau triac, maka output dapat berubah sebuah sinyal 24 V, 10 mA, sinyal DC 110 V, 1 A atau mungkin sinyal AC 240 V, 1 A, atau 240 V, 2 A. 2.1.3 Prinsip Kerja Dasar PLC Prinsip kerja PLC secara singkat dapat ditunjukkan seperti pada gambar berikut : Gambar 2.4 Diagram Blok Prinsip Kerja PLC PLC dapat menerima data berupa sinyal analog dan digital dari komponen input device. Sinyal dari sinyal input device dapat berupa saklar-saklar, tombol- tombol tekan, peralatan pengindera dan peralatan sejenisnya. PLC juga dapat menerima sinyal analog dari input device yang berupa potensiometer, putaran Rizal Pinem : Pengaturan Motor Induksi Satu Fasa Berbasis PLC, Aplikasi Pada pada Laboratorium Konversi Energi Teknik Elektro USU, 2011 motor dan peralatan sejenisnya. Sinyal analog ini oleh modul masukan dirubah menjadi sinyal digital. Central Processing Unit CPU mengolah sinyal digital yang masuk sesuai dengan program yang telah dimasukkan. Selanjutnya CPU mengambil keputusan – keputusan yang berupa sinyal dengan logika High 1 dan Low 0. Selama proses operasinya CPU sebuah PLC melakukan tiga proses utama, yaitu :  Membaca data masukan melalui modul input.  Mengeksekusi program control yang telah dirancang dan tersimpan pada memori PLC.  Memperbaharui data-data pada modul output PLC. Ketiga proses diatas dinamakan proses scanning. Dan kemudian Sinyal keluaran dapat langsung dihubungkan ke peralatan yang akan dikontrol atau dengan bantuan kontaktor untuk mengaktifkan peralatan yang akan dikontrol. 2.1.4 Perangkat Inputoutput. Bagian inputouput terdiri dari modul input dan output. System IO membentuk interface dengan piranti medan yang dihubungkan pada pengontrol. Tujuan dari interface ini adalah menjaga kondisi berbagai sinyal yang diterima atau dikirimkan ke piranti medan eksternal. Beberapa contoh piranti input pada PLC adalah : 1. Saklar Mekanis sebuah saklar mekanis menghasilkan sinyal hidup atau mati sebagai akibat dari tertutup atau terbukanya saklar oleh input mekanis. Saklar semacam ini dapat digunakan untuk mengindikasi keberadaan suatu benda pada sebuah meja kerja, Rizal Pinem : Pengaturan Motor Induksi Satu Fasa Berbasis PLC, Aplikasi Pada pada Laboratorium Konversi Energi Teknik Elektro USU, 2011 Tegangan sumber PLC Kanal input Tegangan sumber PLC Kanal input T o m b o l u n tu k m e n g o p e ra sika n sa kla r T u a s te rte ka n ke b a w a h o le h b e n d a ke rja a T o m b o l u n tu k m e n g o p e ra sika n sa kla r R o lle r te rte ka n ke b a w a h o le h b e n d a ke rja b karena benda kerja tersebut menekan saklar hingga tertutup. Ketiadaan benda pada meja kerja di indikasi oleh saklar yang terbuka, sedangkan keberadaannya oleh saklar yang tertutup. Gambar 2.5 Sensor-sensor Saklar Sebutan saklar limit limit switch diperuntukkan bagi saklar yang digunakan untuk mendeteksi keberadaan atau pergerakan sebuah komponen mesin yang bergerak. Saklar ini dapat diaktuasikan diaktifkan oleh roda mesin. Roda mesin dapat diputar pada kecepatan tetap untuk menutup dan membuka saklar pada suatu interval waktu tertentu. Gambar 2.6 Saklar limit switch yang diaktuasikan oleh : a tuas, b roller 2. Sakalr Pembatas Saklar-saklar ini digunakan untuk mengetahui keberadaan suatu benda tanpa bersentuhan dengan benda tersebut. Terdapat sejumlah bentuk untuk saklar Rizal Pinem : Pengaturan Motor Induksi Satu Fasa Berbasis PLC, Aplikasi Pada pada Laboratorium Konversi Energi Teknik Elektro USU, 2011 jenis ini, dan beberapa diantaranya hanya cocok bagi objek-objek yang terbuat dari logam. 3. Sensor dan Saklar Fotoelektris Piranti saklar foto-elektris dapat beroperasi sebagai tipe transmitif, dimana objek yang didektesi memotong melewati seberkas cahaya, yang umumnya adalah radiasi tipe inframerah, dan berhenti ketika mencapai detektor, atau tipe reflektif, dimana objek yang dideteksi memantulkan berkas sinar cahaya menuju detektor. Pada kedua jenis saklar ini, piranti yang digunakan untuk memancarkan radiasi umumnya dioda pemancar cahaya light-emitting diode-LED. Detektor radiasi yang digunakan dapat berupa sebuah fototransistor, seringkali merupakan sepasang transistor yang dikenal dengan sebutan pasangan Darlington. Pasangan darlington meningkatkan sensitivitas. Bergantung pada rangkaian yang outputnya akan berubah menjadi level tinggi atau rendah ketika cahaya mengenai transistor. Gambar 2.7 Sensor-sensor foto-elektris 4. Enkoder Istilah enkoder di gunakan untuk menamakan sebuah perangkat yang menghasilkan output digital sebagai tanggapan atas perpindahan sudut atau linear. Sebuah enkoder pertambahan bertahap dapat mengetahui perpindahan sudut dan linear dari suatu posisi yang telah diketahui sebelumnya, sedangkan Dioda pemancar cahaya Detektor cahaya Dioda pemancar dioda Detektor cahaya Objek Rizal Pinem : Pengaturan Motor Induksi Satu Fasa Berbasis PLC, Aplikasi Pada pada Laboratorium Konversi Energi Teknik Elektro USU, 2011 LED Sensor cahaya LED Sensor sensor cahaya a b sebuah enkoder mutlak menginformasikan posisi sudut atau linear yang sebenarnya. Gambar 2.8 a Enkoder bertahap, b Enkoder mutlak 3-bit Sedangkan piranti outputnya seperti : 1. Kontaktor Solenoida merupakan basis bagi sejumlah aktuator kontrol output. Ketika arus mengalir melalui selonoida, sebuah medan magnet dibangkitkan dan medan ini menarik komponen-komponen yang terbuat dari bahan besi yang ada didekatnya. Salah satu contoh aktuator seperti ini adalah kontaktor. Ketika output sebuah PLC artinya, memberikan sinyal hidup, medan magnetic selonoida bangkit dan menarik kontak-kontak sehingga menutup saklar atau saklar-saklar. Akibatnya, suatu arus lain yang jauh lebih besar dapat disambungkan. Maka , kontaktor dapat digunakan untuk menyambungkan arus ke sebuah motor. Gambar 2.9 Kontaktor Rizal Pinem : Pengaturan Motor Induksi Satu Fasa Berbasis PLC, Aplikasi Pada pada Laboratorium Konversi Energi Teknik Elektro USU, 2011 2. Motor Listrik Sebuah motor memiliki kumparan-kumparan kawat yang dipancangkan dalam slot-slot pada sebuah silinder terbuat dari bahan feromagnetik. Silinder ini diberi nama armature. Armature dipasang pada suatu bentuk dudukan bearing dan bebas putar. Dudukan armature adalah sebuah medan magnetic yang dihasilkan oleh magnet-magnet permanen atau arus yang dialirkan melalui kumparan-kumparan kawat yang dinamakan kumparan medan. Kedua bentuk magnet ini, magnet permanen maupun electromagnet, disebut stator. Ketika arus mengalir melalui kumparan armatur, karena sebuah konduktor berarus yang berada tegak lurus terhadap sebuah medan magnet akan mengalami gaya, gaya-gaya akan bekerja pada kumparan tersebut dan akan mengakibat perputaran. Beberapa buah sikat dan komutator digunakan untuk membalikkan arah aliran arus didalam kumparan pada tiap-tiap setengah putaran, guna mempertahankan putaran kumparan. Banyak proses industri yang memanfaatkan PLC untuk menghidupkan dan mematikan sebuah motor. Hal dapat dilakukan dengan menggunakan sebuah kontaktor. Terkadang, sebuah PLC juga dibutuhkan untuk membalikkan arah putaran motor. Hal ini dilakukan dengan menggunakan relay-relay atau kontaktor yang membalikkan arah aliran arus yang di berikan ke kumparan armatur. Gambar 2.10 Motor Listrik Rizal Pinem : Pengaturan Motor Induksi Satu Fasa Berbasis PLC, Aplikasi Pada pada Laboratorium Konversi Energi Teknik Elektro USU, 2011

2.2 MOTOR INDUKSI SATU FASA