rancang bangun pengaturan kecepatan konveyor untuk sistem sortir
advertisement
RANCANG BANGUN PENGATURAN KECEPATAN KONVEYOR UNTUK SISTEM SORTIR BARANG (HARDWARE) Debit Zein Ariandana1 , Epyk Sunarno, SST MT2 , M.Safrodin B.SC.MT3 Mahasiswa Elektro Industri, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, Surabaya, Indonesia 1 [email protected] 2 Dosen Pembimbing 1, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, Surabaya, Indonesia 3 Dosen Pembimbing 2, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, Surabaya, Indonesia ABSTRAK Proses penempatan barang (proses packing dan sortir) pada industri masih banyak yang menggunakan konveyor yang berfungsi hanya untuk satu obyek saja karena karakteristik obyek yang berbeda, sehingga ketika satu konveyor rusak maka conveyor lain tidak dapat menggantikan, hal tersebut sangat tidak effisien. Dengan berdasarkan perbedaan berat, sebuah conveyor dapat dipakai untuk beberapa obyek. Sensor loadcel digunakan untuk sensor beratnya, kemudian rangkaian buck converter digunakan sebagai rangkaian driver dari motor dc dan rangkaian minimum sistem digunakan sebagai rangkaian driver solenoid valve. Sensor pototransistor mengambil data sebuah obyek yang telah ditimbang,. Mikrokontroller atmega16 memberi perintah pada solenoid valve untuk menggerakan silinder dalam pemilahan berdasarkan karakteristik berat. Alat ini dapat menimbang dan memilah obyek dalam satuan detik dengan ketelitian mencapai 75 % Kata Kunci : loadcell, Mikrokontroller, solenoid valve, buck converter ABSTRACT Process of location of obyek (process packing and sortir) at many industry still using functioning conveyor just for one obyek because characteristic of obyek is different,so, when one damage conveyor other conveyor cannot replace,that is not effisien. With pursuant to heavy difference a conveyor can use for a few obyek. loadcell used for the sensor of weight and buck converter as the controll of DC motor and microcontroller as solenoid valve driver .Sensor take data a obyek which have been deliberated, Atmega16 Mikrokontroller give comand at solenoid of valve for the movement of cylinder in pemilahan pursuant to heavy characteristic. A device can weighing and chosening in with 75 % accuracy and has database that can recording sortir system. Keyword : Weighing sensor, Microkontroller, solenoid valve, buck converter 1. PENDAHULUAN Perkembangan teknologi di dunia industri sangatlah pesat. Hal tersebut tidak lepas dari meningkatnya permintaan konsumen terhadap barang-barang produksi dari suatu industri. Untuk mempercepat produksinya, pihak industri memerlukan suatu sistem yang dapat bekerja secara efisien dan dapat memonitoring hasil produksinya. Proses produksi di industri khususnya proses sorting, diperlukan optimasi baik dari kinerja dan hasil produksinya, sehingga diperoleh efisiensi kerja yang maksimal. Dalam proses packing dan sortir barang, masih banyak industri yang menggunakan konveyor yang berfungsi hanya untuk satu barang saja karena karakteristik obyek yang berbeda, sehingga ketika satu konveyor rusak maka konveyor lain tidak dapat menggantikan, hal tersebut sangat tidak efisien. Oleh karena itu diperlukan suatu sistem konveyor untuk proses sorting barang yang bermacam-macam beserta monitoring yang dapat memantau kinerja dari sistem tersebut. Pada proyek akhir ini, dibuat alat berupa konveyor belt yang dilengkapi dengan sensor berat yaitu load cell, solenoid valve yang dilengkapi dengan pusher, dan motor dc sebagai penggeraknya. Konveyor yang dibuat ada dua buah. Pada konveyor pertama digunakan sebagai konveyor pengumpan barang, yang dilengkapi dengan load cell, sedangkan pada konveyor kedua merupakan tempat sortir barang, dimana terdapat empat buah pusher yang digunakan untuk mendorong barang yang dikelompokkan sesuai dengan beratnya. Pada konveyor kedua ini kecepatan motor dapat diatur menggunkan kontrol PWM ( Pulse Width Modulation ). Rangkaian minimum sistem mikrokontroler sebagai kontrol untuk rangkaian driver dari load cell, motor dc, dan solenoid valve. Sistem monitoring menggunakan komunikasi serial RS232 pada mikrokontroler ATMEGA16 dengan pemrograman pada Microsoft Visual Studio 2008 dan Vision AVR. II. 2.1 DASAR TEORI MOTOR DC Berdasarkan sumber arus penguatan magnet, motor DC dapat di bedakan : a) Motor DC penguatan terpisah, bila arus penguatan magnet diperoleh dari sumber Dc diluar motor. Motor DC penguat terpisah memiliki kumpran jangkar dan medan yang dicatu dari sumber yang berbeda. Pengaturan kecepatan dilakukan melalui pengaturan tegangan pada kumparan jangkar b) Motor DC penguatan sendiri, bila arus penguatan magnet berasal dari motor itu sendiri Motor DC magnet permanen sering disebut juga dengan motor DC penguat terpisah. Perbedaanya terletak pada pembangkitan medan magnetnya. Motor Dc jenis ini memiliki struktur serta pengaturan kecepatan yang mudah yaitu dengan pengaturan arus dan tegangan pada jangkarnya. Adapun rangkaian ekivalen dari sebuah motor DC penguat terpisah dapat ditunjukan seperti pada gambar berikut keluar melalui daerah kutub negatif dari brush. Pada saat yang bersamaan, arus juga mengalir melalui kumparan medan magnet. Penerapan kaidah tangan kanan pada konduktor armatur yang berada dibawah kutub utara (D) memperlihatkan kumparan medan magnet yang memperkuat gaya keatas agar dapat mendorong konduktor. persamaan torsi ( T ) sebagai berikut : T = k Ô Ia......................................................( 2.1) Pada saat starting, motor DC magnet permanen untuk pertama kalinya pada kecepatan (ω) rendah, torsi ( ) Pada motor sangat tinggi. Kondisi sepertini akan berlanjut dimana apabila motor semakin tinggi maka torsi pada motor makin rendah. Hal ini sesuai dengan persamaan , bahwa: = ……….…………………………..……(2.2) Dimana: =torsi motor = kecepatan sudut motor untuk mengukur daya (KW) adalah sebagai berikut: daya (KW)= ……..….(2.3) sesuai persamaan diatas, bahwa kecepatan dan torsi saling berbanding terbalik. Artinya semakin besar kecepatan motor maka torsinya semakinkecil dan senaliknya. Untuk menentukan karakteristik motor DC, hal yang harus diingat adalah 2 persamaan dasar yaitu: Kecepatan : n= ……………...….(2.4) Torsi: =K.Ia.ะค….……………………....(2.5) Keterangan: kecepatan dalam RPM Torsi dalam N.m 2.2 BUCK CONVERTER Gambar 2.1 Rangkaian Ekivalen Motor DC penguatan terpisah Torsi motor didefinisikan sebagai aksi dari suatu gaya pada motor yang dapat mempengaruhi beban untuk ikut bergerak. Ketika sumber tegangan dihubungkan pada brush (sikat) motor, maka arus yang mengalir masuk ke kutub positif brush, melalui komutator dan kumparan armatur, serta Pada beberapa aplikasi industri, diperlukan peralatan yang dapat mengubah sumber tegangan DC tetap menjadi tegangan DC yang bersifat variabel yaitu menggunakan DC chopper dan biasa disebut DC ke DC. DC chopper dapat digunakan sebagai regulator mode pensaklaran untuk mengubah tegangan DC,yang tidak teregulasi menjadi tegangan DC yang teregulasi. Regulasi tidak biasa dicapai melalui pengaturan PWM pada frekuensi tertentu dan device pensaklaran menggunakan BJT, MOSFET, atau IGBT. Salahsatu jenis topologi dasar pensaklaran yaitu Buck. Prinsip kerja buck dapat diklasifikasikan ke dalam prinsip kerja DC Chooper step down, tegangan keluaran dari buck selalu lebih kecil dari tegangan masukan. Buck Converter hanya memerlukan sebuah swtching device dalam hal ini adalah mosfet, sehingga sangat sederhana dan memiliki efisiensi yang tinggi. di/dt arus beban dibatasi oleh induktor L tetapi arus input tidak kontinyu dan biasanya dibutuhkan filter input penghalus. Sehingga secara garis besar rangkaian Buck Converter atau rangkaian Step Down Switch Mode Power Supply ini terdiri dari: 1. 2. 3. 4. 5. PWM Sebagai penghasil pulsa tegangan yang digunakan untuk mendriver mosfet dengan duty cycle yang berubah-ubah. MOSFET Sebagai swithching, dipilih karena memiliki waktu switchingnya yang cepat. DIODE FREEWHELL Digunakan untuk mengalirkan arus ke induktor. KAPASITOR Sebagai filter untuk mengurangi ripple tegangan INDUKTOR Digunakan untuk mengurangi ripple arus III. PERENCANAAN DAN PEMBUATAN PERANGKAT KERAS 3.1 PEMBUATAN MEKANIK KONVEYOR Mekanik pada proyek akhir ini menggunakan besi berbentuk siku dan bentuk U sebagai rangkanya serta plat besi stainless digunakan untuk tempat barang agar berpindah dari konveyor 1 ke konveyor 2. Pemilihan besibesi ni di karenakan lebih kuat dan lebih mudah dibuat sesuai desain. Konveyor pada proyek akhir ini menggunakan 2 buah konveyor, dimana konveyor pertama berfungsi sebagai penimbang (weight feeder) dengan menggunakan sensor load cell. Untuk ukuran konveyor 1kami buat dengan panjang, lebar serta tinggi 150 cm x 25 cm x 42 cm dan untuk konveyor kedua kami desain lebih rendah dari konveyor pertama agar benda jatuh menelusur ke konveyor ke 2. Dengan dimensi 180 cm x 30 cm x30 cm. Gambar 3.1 konstruksi konveyor Gambar 2.2 rangkaian buck converter 2.3 SENSOR LOAD CELL Load cell adalah komponen utama pada sistem timbangan digital. Tingkat keakurasian timbangan bergantung dari jenis load cell yang dipakai. Sensor load cell apabila diberi beban pada inti besi maka nilai resistansi di strain gaugenya akan berubah yang Untuk belt kita menggunakan kertas gosok yang berukuran sesuai dengan lebar dan panjang konveyor, pemilihan bahan kertas gosok ini dimaksudkan agar load cell mampu terbaca dengan tepat dan akurat karena kertas gosok tidak terlalu tebal dan tidak kaku. Sehingga daya tekannya tidak terlalu kuat. 3.2 KONFIGURASI SISTEM dikeluarkan melalui empat buah kabel. Dua kabel sebagai eksitasi dan dua kabel lainnya sebagai sinyal keluaran ke kontrolnya. Gambar 2.6 dibawah adalah bentuk fisik dari sensor load cell. Gambar 2.3 Bentuk fisik sensor load cell Blok diagram kesrluruhan dari sistem di tunjukan pada gambar 3.3 load cell menggunakan rangkaian Ina 125 sebagai rangkaian instrumentasi amplifier penguat loadcell agar terbaca oleh ADC mikrokontroller dan ditampilkan pada LCD. Rangkaian Buck converter digunakan untuk mengkontrol motor DC yang digunakan untuk menggerakan konveyor, penyulutan mosfet pada rangkaian buck menggunanakan mikrokontroller. Sedangkan untuk sistem sortingnya kita menggunakan solenoid valve untuk mendorong barang sesuai berat. LOAD CELL 3.3.2 Perancangan Buck Converter ADC DRIVER Tegangan input (Vs) = 30 volt Tegangan output(Vo)= 25 volt Arus output (Io) = 2A Efisiensi = 80% Frekuensi (F) = 40 khz ΔiL = 20% x IL Δvo = 0.1% x Vo Tahanan (R) = = = 12.5Ω MOTOR KONVEYOR PHOTO TRANSISTOR KOMPRESOR KONTROLER SOLENOID VALVE PNEUMATIC ROTARY ENCODER a) LCD RS 232 Arus input (Iin) Iin= = = b) Nilai inductor (L) D= KOMPUTER = = 0.833 Gambar 3.2 konfigurasi sistem L= 3.3 PEMBUATAN ELEKTRONIK =2.08 A = 2,6 x 10-4 = RANGKAIAN = 0,26 Mh 3.3.1 Catu Daya (power supply). c. Rangkaian catu daya berfungsi untuk mensuplai sumber daya yang dibutuhkan pada semua rangkaian pada sistem ini, yang dituntut untuk memberikan tegangan output yang konstan terhadap perubahan beban. Catu daya yang digunakan adalah catu daya untuk penggerak motor menggunakan power supply adjust yang menggunakan LM 338 yang mempunyai rating arus yang besar 5A karena untuk mencatu daya motor dengan arus besar. . Nilai capacitor (C) C= = =50,18 μF. Rangkaian Snubber a) ION = IO = 2A VOFF = V1= 30 V Nilai C snubber Cs = = =86/60= 1,43 nF b) Nilai R snubber Rs= x = x = 3627,63 Ω Gambar 3.3 rangkaian power supply adjust Gambar 3.5 desain buck converter Gambar 3.4 rangkaian power supply volt 5A adjust 24 Desain Induktor IL=IO = 2A IL max= IL + = 2 + 0,4:2=2,2 A IL min = 2-0,2 =1,8 A ILRMS = =2 = A Jumlah split = 2 Keluaran dari sensor ini terdiri dari empat kabel yang berwarna merah, hitam, biru, dan putih. Kabel merah merupakan input tegangan sensor dan kabel hitam merupakan input ground pada sensor. Tegangan input dari sensor ini maksimal sebesar 18 volt. Kabel warna biru / hijau merupakan output positif dari sensor dan kabel putih adalah output ground dari sensor. Output sensor load cell berupa tegangan. Nilai tegangan output dari sensor ini sekitar 1 mV. Gambar 3.12 adalah konfigurasi kabel dari sensor load cell. =2/2=1 A Kawat yang digunakan AWG 23= 0,57 mm = 1,162 A AWG 24 = 0,51 mm = 0,921 A Core yang digunakan PQ 3230 B =0,25 T Ac = 1,61 Cm2 D = 1,5 cm K = 2π R = 2 x 3,14 x 0,75 = 4,71. Perhitungan jumlah lilitan permisalan. n= = x 104 x 1o4 = 14,21 lilitan atau 15 lilitan Panjang kawat P= (1+ toleransi )+ ( n x split x k) = (1+ 0,4) + (15 x 2 x 4,76) = 197,82 = 1,97 m Gambar 3.7 Rangkaian penguat sensor load cell IV. ANALISA DAN PENGUJIAN ALAT 4.1 MOTOR MAGNET PERMANEN Motor yang dapat digunakan pada konveyor yang kami pergunakan untuk proyek akhir adalah motor DC magnet permanen seperti tampak pada gambar 4.1 dibawah ini dengan spesifikasi sebagai berikut: Rating tegangan supply= 38 Vdc Arus = 1.9 A RPM = 3700 Jadi : Daya= V x I = 38 V x 1.9 A = 72.2 W 3.4.4 Perancangan Sensor Load Cell Sensor berat yang digunakan adalah load cell. Sensor ini bisa menimbang barang dengan berat maksimal 5 kg. Gambar 3.11 dibawah ini adalah benuk dari sensor load cell Gambar 4.1 motor DC magnet permanen . Untuk mengukur Power (KW) berdasarkan T= adalah sbb: Daya(KW) = torsi (Nm) x 2π x rotational speed (RPM)/ 60.000 0.0722 = T x 2 π x 3700 x / 60.000 Gambar 3.6 Sensor Load Cell 0.0722 = T x 23236 / 60.000 4.332 = T x 23236 T= 186.43 Nm loadcell berupa barang berbentuk kubus dengan berat yang bervariasi yaitu : 0.5kg, 1kg, 1.5kg, 2kg. data pembacaan loadcell akan berupa tegangan yang kemudian akan dikjuatkan dengan rangkaian instrumens amplifier INA125 dan dimasukan kedalam PORT ADC internal mikrokontroller ATMega16 pada PORTA pin 0. Data loadcell tegangan awal sebelum ada beban= 1.16- 1.18 volt Untuk mencari tegangan adc yaitu: Jadi motor Dc magnet permanen ini bisa digunakan untuk proyek akhir kami karena perencanaan kami membutuhkan besar torsi sebesar 73,575 Nm, dan motor yang kami pergunakan memiliki torsi sebesar 186.43 Nm. 4.2 Analisa Dan Pengujian Alat 4.2.1 Pengujian Buck Konverter Berikut ini spesifikasi dari rangkaian buck converter: Vadc= Vin = 32 Volt L = 0,26 mH Mosfet = IRFP 460 C = 50 uF, 30 Volt f =40 KHZ x 255 Tabel 4.3 data hasil pengujian sensor load cell setelah dikuatkan Buck converter akan bekerja menurunkan tegangan dc ke dc setelahmendapatkan pulsa PWM melalui rangkaian totempole untuk switching pada mosfet. Besarnya frekuensi 21 KHz yang dibangkitkan oleh microcontroller. Gambar dibawah ini adalah bentuk gelombang keluaran buck converter yang diberi beban motor DC No. 1 2 3 4 5 Berat barang (Kg) 0 0,1 0,2 0,3 0,5 VDC praktek (V) ADC teori 1,4 (1,50-1,60) (1,70-1,80) (1,82-1,92) (1,98-2,48) 39,82 (42,67-45,51) (48,35-51,2) (51,77-54,62) (56,32-70,54) GRAFIK PENGUJIAN LOAD CELL Berat (Kg) 0,6 0,4 0,2 0 Gambar 4.2 sinyal output buck converter beban motor dc Data Pengujian Buck Converter untuk kontrol motor dc Dengan Sensor Rotary Encoder Tanggal 22 Juni 2011 Table 4.2 pengujian buck converter dengan sensor rotary BERAT Vin Vout KECEPATAN NO. (Kg) (V) (V) (RPM) 1 2 3 4 5 6 7 4.2.2 0,1 0,2 0,3 0,5 1 1,5 2 32 32 32 32 32 32 32 7,5 7,5 7,4 7.3 7,2 6,9 6,8 559 559 558 557 534,2 512,3 507 pengujian sensor load cell Pengujian sensor load cell dilakukan dengan cara memberi gaya atau beban pada 1,4 1,55 1,75 1,87 2,23 Vdc praktek (V) Gambar 4.4 Grafik pengujian load cell terhadap beban Berdasarkan data hasil pengujian sensor load cell pada konveyor, saat konveyor tidak dibebani nilai tegangan output sensor load cell bernilai 1,18 volt. Ketika beban pada konveyor yang ditimbang bernilai 0,5 kg nilai tegangan output sensor load cell sebesar 1,47 V. Ketika beban yang ditimbang pada konveyor ditambah menjadi 1,5 Kg maka diperoleh nilai tegangan output sensor sebesar 2,96 V. Nilai tegangan output dari sensor telah dikuatkan oleh rangkaian amplifier INA 125 agar dapat dibaca oleh ADC internal mikrokontroler V. PENUTUP 5.1 KESIMPULAN Setelah dilakukan proses perencanaan, pembuatan dan pengujian alat serta dengan membandingkan dengan teori-teori penunjang, dan berdasarkan data yang diperoleh maka dapat simpulkan: 1. Pada driver motor konveyor buck konverter, kita atur dutycyclenya dengan nilai 23 %, agar kecepatan konveyor mencapai 559 RPM. Pada buck tegangan awal 32 volt dan tegangan output 7.5 volt. 2. Ketelitian pada saat menimbang dan saat memilah barang (sorting) mencapai 75 % dikarenakan ada eror saat memilah solenoid tidak mampu mendorong dengan tepat pada obyek 5.2 SARAN Pada pengerjaan proyek akhir ini tentu tidak lepas dari berbagai macam kekurangan dan kelemahan, baik itu pada sistem maupun pada peralatan yang telah dibuat. Untuk memperbaiki kekurangan-kekurangan dari peralatan, maka perlu melakukan hal-hal sebagai berikut: 1. Pembuatan mekanik konveyor harus menggunakan PVC belt supaya lebih elastis. 2. Rangkaian penguat loadcell menggunakan penguat inverting atau differential amplifier supaya lebih akurat dalam penguatan tegangan, dan mengurangi adanya fluktuatif tegangan. VI DAFTAR PUSTAKA 1. Andi Kusuma Setyawan (NIM. 5201401009) Pendidikan Teknik Mesin S1 Universitas Negeri Semarang, yang berjudul ‘Hubungan Antara Beban Dengan Laju Pergerakan Material Konveyor Horisontal A, B dan C Berbasis PLC (Programmable Logic Controller) Dengan Pemindah Barang Menggunakan Pneumatik Tedy Rikusnandar (NRP 7305030014) jurusan teknik elektro industri politeknik elektronika negeri surabaya . Rancang bangun sistem sortir barang berdasarkan berat DC-DC converter Presented by: Moh. Zaenal Efendi EEPIS-ITS Surabaya Indonesia. Novan Yudha Armanda (7306030024) , Rancang bangun weight feeder dengan menggunakan loadcell Data sheet INA 125, data sheet LM adjustable regulators 138 Teknik listrik industry jilid 2, siswoyo Pengaturan Motor DC, dorado sb_htm 2. 3. 4. 5. 6. 7.
