Laporan Tugas Akhir II - 1 BAB II TEORI DASAR Pada bab ini dibahas mengenai masalah mekatronika, komponen elektronika, motor DC dan PLC (Programmable Logic Controller. 2.1 Mekatronika Mekatronika merupakan suatu tahapan alamiah dalam proses evolusi pada perancangan sistem rekayasa. Perkembangan komputer, mikrokomputer, teknologi informasi dan perangkat lunak telah menjadikan mekatronika sebagai kebutuhan yang sangat penting. Definisi mekatronika telah meningkat sejak perusahaan elektronik Yasakawa membuat definisi yang asli. Yasakawa mendefinisikan mekatronika sebagai kata yang terdiri atas kata mekanisme dan elektronika. Dengan kata lain, teknologi dan produk yang berkembang akan menjadi satu kesatuan dengan elektronika didalam suatu mekanisme. Definisi mekatronika diperkenalkan lagi oleh Harashima, Tomizuka, dan Fukada pada tahun 1996. Mereka mendefinisikan mekatronika sebagai pengintegrasian antara teknik mesin dengan teknik elektro serta pengontrolan berbasis komputer pada suatu proses manufaktur. Definisi yang lain diusulkan oleh Auslander dan Kemf pada tahun 1996. Mekatronika menjadi aplikasi dari Separator Minyak dan Air Berbasis PLC (Programmble Logic Controler) Laporan Tugas Akhir II - 2 setiap pengambilan keputusan yang kompleks pada operasi sistem fisik. Definisi mekatronika diusulkan lagi oleh Shetty dan Kolk pada tahun 1997. Mereka mendefinisikan mekatronika sebagai suatu metodologi yang optimal dalam perancangan produk electromechanical. Dari beberapa definisi yang telah ada, mekatronika dapat diartikan juga sebagai kata yang berasal dari kata mekanik dan elektronika. Mekatronika merupakan ilmu yang mempelajari tentang pengontrolan sistem mekanik dengan menggunakan rangkaian-rangkaian elektronika. Rangkaian-rangkaian elektronika yang mengontrol sistem mekanik disebut dengan nama kontroler. 2.2 Komponen elektronika Beberapa komponen elektronika yang dibahas pada bab ini adalah Resistor, Relay, LM324N, dan L293D. 2.2.1 Resistor dan Multiturn Resistor adalah komponen elektronik yang berfungsi untuk membatasi aliran arus listrik. Resistor biasa disebut juga dengan tahanan. Besar kecilnya nilai tahanan dapat dinyatakan dengan satuan Ohm dan dilambangkan dengan huruf latin Ω (Omega). Separator Minyak dan Air Berbasis PLC (Programmble Logic Controler) Laporan Tugas Akhir II - 3 Besar nilai hambatan suatu resistor dapat diketahui dengan membaca langsung kode warna pada bagian badan resistor tersebut dan bisa juga diukur dengan menggunakan multitester. Besarnya nilai resistor dinyatakan dengan pita berwarna yang melingkari badan resistor. Pada umumnya jumlah pita berwarna pada resistor berjumlah empat atau lima. Jika resistor memiliki empat pita berwarna maka besaran untuk resistor tersebut adalah warna pertama dan kedua sedangkan warna yang ketiga merupakan faktor pengali atau multiplier dan pita berwarna yang ke empat adalah toleransi. Jika resistor memiliki lima pita berwarna maka besaran untuk resistor tersebut adalah pita berwarna yang pertama, kedua dan yang ketiga sedangkan pita berwarna yang keempat merupakan faktor pengali atau multiplier dan pita berwarna yang ke lima adalah toleransi. Bentuk dan simbol resistor dapat dilihat pada gambar 2.1. Konversi dari kode warna resistor ke angka dapat dilihat pada tabel 2.1. Gambar 2.1 Bentuk dan simbol resistor Untuk memberikan gambaran contoh pembacaan nilai tahanan resistor, dimisalkan sebuah resistor mempunyai empat pita berwarna dengan kode warna coklat, hitam, ungu dan emas. Berdasarkan tabel diatas warna-warna tersebut mempunyai nilai sebagai berikut : Separator Minyak dan Air Berbasis PLC (Programmble Logic Controler) Laporan Tugas Akhir II - 4 Cokelat : Nilai digit pertama = Hitam : Nilai digit kedua = Kuning : Faktor pengali (4) Emas : Toleransi = 1 0 104 = 10000 = ± 5% Berdasarkan konversi warna diatas maka besarnya nilai tahanan resistor tersebut adalah 10 x 10000 = 100000 Ω atau 100 kΩ. Warna yang ke empat berwarna emas berarti resistor tersebut memiliki harga toleransi 5% atau (5% x 100 kΩ). Nilai hambatan resistor tersebut sesungguhnya bernilai antara 95 kΩ 100,5 KΩ. Tabel 2.1 Konversi kode warna resistor ke angka Faktor Pengali Toleransi Warna Nilai (10x) (%) Hitam 0 0 Coklat 1 1 ±1 Merah 2 2 ±2 Jingga/Oranye 3 3 ± 0.05 Kuning 4 4 Hijau 5 5 ± 0.5 Biru 6 6 ± 0.25 Ungu 7 7 ± 0.1 Abu-abu 8 8 Putih 9 9 Emas -1 ±5 Perak -2 ± 10 Tanpa Warna ± 20 Multiturn adalah salah satu jenis variabel resistor. Multiturn biasa juga disebut trimmer. Besar nilai tahanan multiturn dapat diubah-ubah. Multiturn mempunyai sudut putar lebih dari 360o atau beberapa kali satu putaran penuh. Multitrun lebih Separator Minyak dan Air Berbasis PLC (Programmble Logic Controler) Laporan Tugas Akhir II - 5 akurat dibandingkan dengan potensiometer. Bentuk dan simbol multiturn dapat dilihat pada gambar 2.2. 2.2.2 Relay Relay merupakan salah satu komponen elektronika yang berfungsi sebagai saklar mekanik. Fungsi relay yaitu memisahkan rangkaian listrik tegangan tinggi dengan rangkain listrik tegangan rendah. Gambar 2.2 Bentuk dan simbol multiturn Relay mempunyai lima buah kaki. Dua kaki digunakan untuk mengaktifkan koil. Kedua kaki ini tidak bertanda, artinya boleh terbalik dalam pemasangannya. Tiga kaki lainnya berfungsi sebagai saklar yang terdiri dari kaki Common (COMM), kaki Normally Open (NO), dan kaki Normally Closed (NC). Dalam Separator Minyak dan Air Berbasis PLC (Programmble Logic Controler) Laporan Tugas Akhir II - 6 keadaan koil tidak dialiri arus listrik, kaki COMM akan terhubung ke kaki NC. Dalam keadaan koil dialiri arus listrik, kaki COMM akan terhubung dengan kaki NO. Bentuk fisik dan simbol relay dapat dilihat pada gambar 2.3. Gambar 2.3 Bentuk fisik dan simbol relay 2.2.3 IC LM324 IC LM324 merupakan komponen elektronik yang berfungsi sebagai penguat tegangan atau penguat signal atau sebagai amplifier. IC LM324 umumnya dikenal dengan Op Amp (Operational Amplifier). Bentuk fisik dan simbol IC LM324 dapat dilihat pada gambar 2.4. Gambar 2.4 Bentuk fisik dan simbol IC LM324 Separator Minyak dan Air Berbasis PLC (Programmble Logic Controler) Laporan Tugas Akhir II - 7 Op Amp mempunyai dua kaki input yaitu inverting input (simbol negative) dan non inverting input (simbol positive). Sinyal dari kedua kaki input Op Amp ini bisa diolah menjadi data output yang berbeda-beda sesuai dengan fungsi Op Amp yang dijalankan. Salah satu fungsi Op Amp adalah sebagai komparator. Komparator difungsikan untuk membandingkan tegangan yang masuk pada kedua kaki input Op Amp. Untuk membandingkan kedua kaki input pada Op Amp salah satu kaki input bisa diberi tegangan referensi dan kaki lainnya diberi tegangan pembanding. Jika tegangan pada kaki non inverting input (+) lebih besar atau sama dengan tegangan pada kaki inverting input (-) maka output akan berharga high (1). Jika tegangan pada kaki non inverting input (+) lebih kecil daripada tegangan pada kaki inverting input (-) maka kaki output akan berharga low (0). Salah satu keunggulan LM324 adalah dapat beroperasi pada voltase 3.0 V sampai 32.0 V. 2.2.4 IC L293D IC L293D adalah komponen elektronik yang dapat digunakan untuk mengontrol arah putaran motor DC. Satu buah IC L293D dapat digunakan untuk mengontrol dua buah motor DC. Selain dapat digunakan untuk mengontrol arah putaran motor DC, L293D juga mampu menjalankan beban induktif seperti relay, Separator Minyak dan Air Berbasis PLC (Programmble Logic Controler) Laporan Tugas Akhir II - 8 selenoid, maupun motor stepper. Bentuk fisik dan symbol IC L293D dapat dilihat pada gambar 2.5. Gambar 2.5 Bentuk fisik dan simbol L293D Kaki-kaki input terdapat pada kaki 2, 7, 10, dan 15. Kakikaki output terdapat di kaki 3, 6, 11, dan 14. Hubungan input output akan berfungsi jika tegangan di kaki inhibit bernilai high. 2.3 MOTOR DC Motor DC (Direct Curent) adalah peralatan elektronika yang dapat mengubah energi listrik menjadi energi gerak. Motor DC dapat berputar searah dengan arah putaran jarum jam atau dapat juga berputar berlawanan arah putaran jarum jam. Bentuk fisik motor DC dapat dilihat pada gambar 2.6. Gambar 2.6 Bentuk fisik motor DC Separator Minyak dan Air Berbasis PLC (Programmble Logic Controler) Laporan Tugas Akhir II - 9 Dalam aplikasinya seringkali sebuah motor DC diputar dalam dua arah putaran yaitu searah putaran jarum jam (clockwise) dan berlawanan arah putaran jarum jam (counter clockwise). Arah putaran motor DC dapat berubah dengan cara mengubah arah arus listrik yang mengalir melewati motor DC tersebut. Mengubah arah arus listrik yang melewati motor DC dapat dilakukan dengan cara mengubah polaritas tegangan motornya. Dasar pengaturan arah putaran motor DC dapat dilihat pada gambar 2.7. Gambar 2.7 Dasar pengaturan arah putaran motor DC 2.4 Pengenalan PLC (Programmable Logic Controller) Pada awalnya, sistem kontrol industri menggunakan cara konvensional yaitu dengan sistem sambungan menggunakan beberapa komponen seperti timer, relay, counter dan kontaktor. Generasi selanjutnya, sistem menggunakan mikroprosesor kontrol dengan industri bahasa sudah pemograman assembler. Perusahaan yang pertama kali merealisasikan kriteria rancangan PLC adalah General Motors (GM). PLC yang ada pada saat itu hanya berupa sekuensial kontrol, tidak seperti PLC Separator Minyak dan Air Berbasis PLC (Programmble Logic Controler) Laporan Tugas Akhir II - 10 yang dikenal sekarang. PLC yang ada pada saat ini mampu untuk menangani pengendalian proses-proses yang kompleks, seperti temperatur, posisi, tekanan, dan aliran. Secara definisi, Programmable Logic Controller (PLC) adalah suatu rangkaian elektronika yang terdiri dari beberapa bagian. Bagian-bagian tersebut yaitu, CPU, Memory, Data Register, Internal relay, Input/Output Counter, dan Timer. Bagianbagian tersebut terintegrasi didalam satu perangkat. 2.4.1 Alasan penggunaan PLC di industri PLC digunakan di industri dengan beberapa alasan sebagai berikut : 1. PLC dapat diprogram dan mudah dimodifikasi 2. Mudah dalam pengawatan/instalasi 3. Mudah dalam pengoperasian 4. Mudah dalam pemeliharaan dan perbaikan 5. Cepat dalam melakukan pengembangan sistem 6. Lebih modern dan mendukung pada sistem kontrol-informasi 7. Penyajian data pada proses pengukuran lebih akurat 8. Proses pengaturan lebih presisi 9. Harga relatif lebih murah untuk aplikasi sistem yang besar. Aplikasi PLC pada dunia industri antara lain digunakan pada : 1. Conveyor System 2. Food Processing 3. Machine Tool 4. Lift Control System Separator Minyak dan Air Berbasis PLC (Programmble Logic Controler) Laporan Tugas Akhir II - 11 5. Security Control System 6. Power Station Plant 7. Water Treatment, dan lain-lain. 2.4.2 Cara kerja PLC Untuk dapat menggunakan PLC, cukup dengan menghubungkan sensor pada bagian input PLC dan alat-alat yang dikontrol pada bagian output PLC. Program yang ada di dalam memori PLC akan memproses data dari input PLC, sehingga output PLC akan bekerja sesuai dengan program yang sudah tersimpan di dalam memori PLC. Komponen-komponen input PLC dapat berupa sensor photo-elektrik, push button, maupun limit switch. Komponenkomponen input dapat menghasilkan suatu sinyal yang dapat diterima oleh PLC, sedangkan peralatan output dapat berupa penguat arus atau tegangan, relay, maupun komponen- komponen lain yang dapat digerakkan oleh sinyal output dari PLC. PLC juga mempunyai memori yang dapat diprogram untuk menyimpan instruksi-instruksi yang melaksanakan fungsifungsi khusus. Fungsi-fungsi yang dimaksud yaitu : fungsi logika, fungsi pewaktuan, fungsi sekuensial, dan fungsi aritmatika. Fungsi-fungsi tersebut dapat mengendalikan suatu mesin atau proses melalui modul-modul I/O baik analog maupun digital. Separator Minyak dan Air Berbasis PLC (Programmble Logic Controler) Laporan Tugas Akhir 2.4.3 II - 12 Cara memprogram PLC PLC dapat diprogram dengan dua cara yaitu dengan menggunakan Handy Programmer atau dengan menggunakan Personal Computer melalui software khusus. Metoda programnya menggunakan program yang berbentuk Ladder Diagram atau Statement List. 2.5 Perangkat keras (Bagian-bagian dasar PLC) Sebagai perangkat pengendali proses, PLC mempunyai bagian-bagian penting yang mendukung unjuk kerja sistemnya. Bagian-bagian tersebut meliputi CPU, memory, I/O, dan Power Supply. 2.5.1 Central Proessing Unit (CPU) Modul CPU memiliki arsitektur hardware yang berlainan, tergantung jenis PLC yang digunakan. Secara garis besar, modul CPU terdiri dari processor, memory, dan port komunikasi. Fungsi utama CPU adalah sebagai modul pemeroses utama. Adapun proses yang dilakukan sangat tergantung dari program yang telah disimpan di dalam memori. Memori selain berfungsi sebagai tempat penyimpan program, juga berfungsi sebagai lalu lintas data dan hasil pemerosesan dari prosesor yang selanjutnya dikirim pada bagian output. Arsitektur memori-pun bisa berbeda-beda, umumnya Separator Minyak dan Air Berbasis PLC (Programmble Logic Controler) Laporan Tugas Akhir dalam bentuk II - 13 RAM atau ROM (EPROM/EEPROM). Jika menggunakan RAM, maka CPU dilengkapi dengan baterai yang berfungsi mempertahankan isi program pada memori. Port Comunication atau terminal komunikasi berfungsi sebagai terminal/jalur komunikasi data yang digunakan antara PLC dengan Programming Device/PC (personal computer) atau antar PLC sendiri baik secara langsung maupun dengan perantaraan alat lain seperti modem, hub, dan lain-lain. Secara hardware, terminal komunikasi bisa berupa RS232, RS485, RJ45 RG6/ RG8, dan Optik. Pada aplikasi komunikasi antara PC dengan PLC, PC bisa berfungsi sebagai : Unit Programmer, yaitu perangkat pembuat program aplikasi PLC untuk keperluan downloading, uploading dan debugging. HMI (Human Machine Interface), yaitu sebagai perantara dalam pengoperasian antara manusia dengan mesin (pengganti console desk dan display konvensional). Atau bisa berfungsi keduanya. Ada beberapa syarat penting yang harus dipenuhi agar suatu PLC dapat berkomunikasi, yaitu : 1. Secara hardware, meliputi : koneksi pin terminal komunikasi, jenis kabel/media yang dipakai, panjang kabel/jarak jangkauan yang diijinkan, serta penggunaan modul interface (bila digunakan). 2. Secara software, meliputi : protokol komunikasi dan setting parameter (baudrate, parity, address). Separator Minyak dan Air Berbasis PLC (Programmble Logic Controler) Laporan Tugas Akhir 2.5.2 II - 14 Memori Memori yang terdapat pada PLC, berfungsi untuk menyimpan program dan memberikan lokasi-lokasi dimana hasilhasil perhitungan dapat disimpan didalamnya. 2.5.3 Model Input dan Modul Output Setiap modul input dan modul output, memiliki alamat dan nomor urutan khusus yang digunakan selama membuat program. Nomor urutan khusus tersebut digunakan untuk memonitor satu persatu aktivitas input dan output di dalam program. - Modul Input Modul input berguna sebagai bagian yang memberikan masukan kedalam prosesor. Menurut sinyal masukannya modul input dibagi menjadi 2 jenis, yaitu digital input dan analog input. Digital input sinyal masukannya berupa status 1 atau 0 (on atau off) dari switch, push button, limit switch, lengan-lengan aux relay, dan lain-lain. Pada modul digital input yang perlu diperhatikan adalah tegangan kerja kontak (5VDC, 24VDC, 48VDC, 110VDC, 110VAC, 220VAC), sumber tegangan Common positif (+) atau Common Negative (-), waktu transisi (switching time) dari On ke Off bisa juga sebaliknya, dan jumlah kanal Separator Minyak dan Air Berbasis PLC (Programmble Logic Controler) Laporan Tugas Akhir II - 15 permodul (8 chanel, 16 chanel ,32 chanel, 64 chanel atau 96 chanel). Analog input sinyal masukannya berupa arus atau tegangan dari tranducer atau besaran-besaran elektrik dari sensor. Pada modul analog input yang perlu diperhatikan adalah besar dan jenis sinyal analognya (0~5VDC, 0~10VDC, -5~+5 VDC, 0~20 mA, 4~20 mA atau RTD, thermocouple, dll), resolusi ADC (8 bit, 10 bit, 12 bit, 15 bit, atau 16 bit), accuracy (%), bipolar/unipolar input atau single ended input, dan banyaknya chanel setiap modul (4 ch atau 8 ch). Pada PLC Master K-120s, input PLC tersusun dari banyak rangkaian optocoupler yang berfungsi menerima sinyal dari unit pengindera periferal, dan memberikan pengaturan sinyal maupun indikator keadaan masukan sinyal. Rangkaian input PLC Master-K120s dapat dilihat pada gambar 2.18. Gambar 2.8 Rangkaian input PLC Master-K120s Separator Minyak dan Air Berbasis PLC (Programmble Logic Controler) Laporan Tugas Akhir - II - 16 Modul Output Modul output berfungsi untuk meneruskan output hasil pemerosesan data dari CPU. Menurut jenisnya, modul output dibagi menjadi 2 jenis, yaitu digital output dan analog output. Digital output akan meneruskan sinyal digital 1 atau 0 (On atau Off) yang dapat dihubungkan pada komponen lampu, kontaktor, selenoid, dan lain-lain. Yang perlu diperhatikan dalam memilih modul digital output ini adalah jenis kontak yang dipakai, beban kontak (Contact ratting), dan waktu kerja (Operating time). Modul digital output dibedakan menjadi 2 jenis yang dilihat dari komponen utama kontaknya, yaitu jenis elektronik dan jenis mekanis. Jenis elektronik umumnya menggunakan transistor, dan SCR atau Mosfet. Jenis mekanis menggunakan relay. Analog output berfungsi meneruskan sinyal hasil pemerosesan pada CPU berupa besaran analog (arus/tegangan) untuk diteruskan pada peralatan meter, display, dan lain-lain. Output PLC jenis master K-120s tersusun dari banyak relay yang berfungsi mengaktivasi berbagai macam piranti, salah satunya untuk mengaktifkan motor DC. Rangkaian output PLC Master-K120s dapat dilihat pada gambar 2.9. Gambar 2.9 Rangkaian output PLC Master-K120s Separator Minyak dan Air Berbasis PLC (Programmble Logic Controler) Laporan Tugas Akhir 2.5.4 II - 17 Power Supply Bagian terakhir perangkat keras PLC adalah Power supply. Modul ini merupakan sumber daya bagi bekerjanya PLC. Input power supply ini bisa berupa tegangan AC maupun DC dengan besaran dan kapasitas tertentu sesuai dengan kebutuhan. Pada PLC jenis Compact Design, power supply biasanya sudah menyatu dengan CPU. Yang perlu diperhatikan dalam pemilihan modul power supply ini adalah : 1. Besarnya tegangan input, misalnya 24VDC, 110VDC, 110/220VAC, dll. 2. Kapasitas beban maksimum, misalnya 4A, 8A, dan seterusnya. 3. Operating mode, misalnya Redundant, standalone atau summable. 2.6 Simbol komponen diagram tangga Beberapa simbol komponen diagram tangga yang akan dibahas pada sub bab berikut adalah NO (normally open) contact, NC (normally closed) contact, IUR, output koil, blok perintah Timer, blok perintah set, blok perintah reset, dan blok perintah END. 2.6.1 NO (Normally Open) Contact NO (Normally Open) Contact adalah saklar yang pada kondisi normal kontaknya terbuka. Apabila saklar ditekan Separator Minyak dan Air Berbasis PLC (Programmble Logic Controler) Laporan Tugas Akhir II - 18 mengakibatkan kontaknya tersambung. Simbol Normally Open contact dapat dilihat pada gambar 2.10. Gambar 2.10 Simbol Normally Open Contact 2.6.2 NC (Normally Closed) Contact NC (Normally closed) Contact adalah saklar yang pada kondisi normal kontaknya tertutup. Apabila saklar ditekan mengakibatkan kontaknya terputus. Simbol Normally Closed contact dapat dilihat pada gambar 2.11. Gambar 2.11 Simbol Normaly Closed Contact 2.6.3 Blok perintah Timer Blok perintah timer adalah blok perintah penghitung waktu pada diagram tangga. Blok perintah timer mempunyai satu kaki input. Blok perintah timer mempunyai dua fungsi yaitu penundaan waktu on (on delay, Txxx = Ton) dan penundaan waktu off (off delay, Txxx = Toff). Blok perintah timer memiliki Separator Minyak dan Air Berbasis PLC (Programmble Logic Controler) Laporan Tugas Akhir II - 19 selang waktu yang menyatakan waktu penundaan. Simbol Blok perintah timer dapat dilihat pada gambar 2.12. Gambar 2.12 Simbol Blok Perintah Timer 2.6.4 Output koil Output koil adalah saklar yang digunakan sebagai output pada diagram tangga. Output koil akan aktif apabila jalur input terhubung dengan jalur output. Simbol Output Koil dapat dilihat pada gambar 2.13. Gambar 2.13 Simbol Output Koil 2.6.5 IUR (Internal Utility Relay) Contact IUR (Internal Utility Relay) Contact adalah saklar yang terdapat di dalam PLC. Apabila IUR dalam kondisi Normally Open (NO) maka ketika mendapat perubahan sinyal mengakibatkan kontaknya tersambung. Simbol IUR dapat dilihat pada gambar 2.14. Separator Minyak dan Air Berbasis PLC (Programmble Logic Controler) Laporan Tugas Akhir II - 20 Gambar 2.14 Simbol IUR (Normaly Open) 2.6.6 Blok perintah Set Blok perintah set berfungsi untuk mengaktifkan IUR (Internal Utility Relay), Timer maupun Counter. IUR, Timer maupun Counter akan aktif apabila diberi perintah SET. Simbol blok perintah set dapat dilihat pada gambar 2.15. Gambar 2.15 Simbol Blok Perintah Set 2.6.7 Blok perintah Reset Blok perintah reset berfungsi untuk menonaktifkan IUR (Internal Utility Relay), Timer maupun Counter. IUR, Timer maupun Counter akan tidak aktif apabila diberi perintah RESET. Simbol blok perintah reset dapat dilihat pada gambar 2.16. Gambar 2.16 Simbol Blok Perintah Reset Separator Minyak dan Air Berbasis PLC (Programmble Logic Controler) Laporan Tugas Akhir 2.6.8 II - 21 Blok perintah END Blok perintah END berfungsi untuk mengakhiri program pada diagram tangga yang telah dibuat. Simbol blok perintah END dapat dilihat pada gambar 2.17. Gambar 2.17 Simbol Blok Perintah END Separator Minyak dan Air Berbasis PLC (Programmble Logic Controler)