DASAR TEORI
Bab ini menjelaskan tentang dasar teori dan penjelasan peralatan yang digunakan dalam Tugas Akhir ini
2.1. Mesin Cuci [2]
Sejarah mesin cuci elektrik pertama diproduksi di Amerika Serikat pada tahun 1908. Mesin cuci pertama tersebut mempunyai pengerak motor dibagian atas. Tahun 1920 mesin cuci berkembang lagi dengan sistem tabung horisontal silinder. Pada akhir 1940 mesin cuci berkembang mengunakan impeller. Di tahun 1950, mulai ditambahkan unit pemanas dan pemeras automatis, ditahun itu beberapa model mesin cuci mempunyai unit pemeras yang terpisah tabung pencucian. Di tahun 1960, mesin cuci sudah sangat berkembang dengan pilihan tombol/selektor fungsi mencuci, membilas dan memeras yang dijalankan dalam satu tabung, pertama dibuat dengan tabung vertikal (top loader) dan kemudian berkembang pula dengan tabung horisontal (front loader).
Pada abad ke 20 teknologi mesin cuci terus berkembang, pengunaan selektor control
electro-mechanical digantikan dengan elektronik push-buttons. Mesin cuci terbaru hanya
membutuhkan sedikit air dan dapat bekerja optimal dengan walau tidak menggunakan air panas, sehingga mengurangi waktu proses dan menjadi lebih efisien. Mesin cuci juga diprogram dengan cycle / tahapan proses yang menyesuaikan bahan kain yang akan dicuci seperti sutra, wool, katun, jeans dan bahan lain.
Mesin cuci Primus yang dimodifikasi oleh penulis mempunyai spesifikasi sebagai berikut: [3]
1. Kapasitas : 20 kg
2. Sumber listrik : 3 fasa 3x380-480V 50/60Hz
3. Pilihan pencucian : 5 pilihan program
4. Suhu air masuk : normal, dipanaskan 60 derajat celcius sesuai dengan pilihan program
5. Detergen : 3 jenis cairan kimia (disediakan dari pelanggan)
2.2. PLC
PLC (Programmable Logic Controller) ialah rangkaian elektronik berbasis mikroprosesor yang beroperasi secara digital, menggunakan programmable memory untuk menyimpan instruksi yang berorientasi kepada pengguna, untuk melakukan fungsi khusus seperti logika, sequencing, timing, arithmetic, melalui input baik analog maupun discrete / digital, untuk berbagai proses permesinan. Keuntungan utama penggunaan PLC ialah sistem kendali dapat diubah-ubah sesuai kebutuhan tanpa harus mengubah komponen dasar pengendalinya. Dikarenakan sangat fleksibel terhadap variasi sistem kendali maka menjadi hemat biaya. Kelebihan PLC yang lain ialah :
1. Tahan terhadap lingkungan kerja yang keras serta suhu, getaran, dan kebisingan yang dinamis.
2. Input / output sudah tersedia di unit PLC.
3. Bahasa program dan pemrograman mudah dipahami.
Spesifikasi PLC Mitsubishi FX 3U 48MR/ES-A adalah sebagai berikut [4]
1. Teganggan PLC : 24V DC +20%, -30% 35W
2. Jumlah I/O : 54 buah
3. Jenis I/O : Relay
4. Tegangan Input : 24V DC +20%, -30%
5. Tegangan Output : < 30V DC atau <240V AC
6. Tegangan Input : 24V DC +20%, -30%
2.3. HMI
Human Machine Interface (HMI) adalah sistem yang menghubungkan antara
manusia dan teknologi mesin. HMI dapat berupa pengendali dan visualisasi status baik dengan manual maupun melalui visualisasi komputer yang bersifat real time. Tugas dari
Human Machine Interface (HMI) yaitu membuat visualisasi dari teknologi atau sistem secara
nyata. Sehingga dengan desain HMI dapat disesuaikan sehingga memudahkan pekerjaan fisik. Tujuan dari HMI adalah untuk meningkatkan interaksi antara mesin dan operator melalui tampilan touch panel dan memenuhi kebutuhan pengguna terhadap informasi sistem.
HMI yang digunakan adalah seri OMRON NB5Q-TW00B dengan spesifikasi elektronis berdasar table 2.1 spesifikasi HMI Omron seri NB [5] membutuhkan teganggan sumber 24V DC +15%, -15% 6W.
Tabel 2.1. Tabel Spesifikasi HMI Omron Seri NB
2.4. Relai [6]
Relai pengendali elektromekanis (EMR = electromechanical relay) adalah sebuah saklar magnetis yang dapat dikendalikan dengan permberian energy elektromagnetis, bentuk fisik dapat dilihat pada gambar 2.1. Relai terdiri dari 3 bagian utama, yaitu:
4. Koil : lilitan dari relai
5. Common : bagian yang tersambung dengan Normally Close (dalam keadaan
normal)
6. Kontak : terdiri dari Normally Close dan Normally Open
NC (Normally Closed) merupakan saklar dari relai yang dalam keadaan normal (relai tidak diberi tegangan) terhubung dengan common. Sedangkan NO (Normally Open) merupakan saklar dari relai yang dalam keadaan normal (relai tidak diberi tegangan) tidak terhubung dengan common.
Gambar 2.1. Relay 12V
2.5. Kontaktor [6]
Kontaktor Magnet adalah suatu alat yang sangat sering dipakai di industri. Industri-industri besar pasti sangat bergantung pada alat ini. Melalui alat inilah, kita dengan mudah dapat mengendalikan beban yang berat seperti motor 3 fasa.
Pada dasarnya, prinsip kerja magnetic contactor ini sama dengan sebuah relai, yaitu menghubung dan memutuskan aliran listrik. Demikian juga dengan aktuator, alat ini menggunakan suatu coil (kumparan) yang bila dialiri listrik kumparan tersebut memunculkan medan magnet. Medan magnet inilah yang dapat mengendalikan kontak-kontak yang ada pada magnetic contactor.
Yang membuat Kontaktor Magnet berbeda dengan relai adalah, Kontaktor Magnet mempunyai kontak NO utama, yaitu kontak yang mungkin dibuat khusus untuk mengontrol sebuah motor 3 phase.
Gambar 2.2. Kontaktor
2.6. Solid State Relay (SSR) [6]
Pengertian dan fungsi solid state relay sebenarnya sama saja dengan relai elektromekanik yaitu sebagai saklar elektronik yang biasa digunakan atau diaplikasikan di industri-industri sebagai piranti pengendali. Namun relai elektro mekanik memiliki banyak keterbatasan bila dibandingkan dengan solid state relay, salah satunya seperti siklus hidup kontak yang terbatas, mengambil banyak ruang, dan besarnya daya kontaktor relai. Karena keterbatasan ini, banyak produsen relai menawarkan perangkat solid state relay dengan semikonduktor modern yang menggunakan SCR, TRIAC, atau output transistor sebagai pengganti saklar kontak mekanik. Prinsip kerja solid state relay dengan menggunakan TRIAC dapat dilihat dalam gambar 2.3 berikut.
Gambar 2.3. Diagram SSR
Gambar 2.4. SSR-40DA-H
2.7. TOR [6]
Thermal relay atau overload relay adalah peralatan switching yang peka terhadap
suhu dan akan membuka atau menutup kontaktor pada saat suhu yang terjadi melebihi batas yang ditentukan atau peralatan kontrol listrik yang berfungsi untuk memutuskan jaringan listrik jika terjadi beban lebih. Contoh Thermal overload relay (TOR) dapat dilihat pada gambar 2.5.
Gambar 2.5. TOR
TOR mempunyai tingkat proteksi yang lebih efektif dan ekonomis, yaitu: 1. Pelindung beban lebih / Overload
2. Melindungi dari ketidakseimbangan phasa / Phase failure imbalance 3. Melindungi dari kerugian / kehilangan tegangan phasa / Phase Loss.
2.8. Kontrol Suhu [6]
Kontrol suhu digunakan unrtuk mempertahankan suhu tertentu didalam suatu proses atau perlindungan terhadap kondisi suhu berlebihan. Pengontrol suhu terdapat tiga bagian yang saling berhubungan yaitu unit pengontrol, unit pemanas dan unit sensor dimana sensor bisa berupa termokopel atau RTD. Gambar 2.6. mengilustrasikan unit control, unit pemanas dan unit sensor. Cara kerjanya membandingkan suhu sesungguhnya dengan suhu kontrol yang dikehendaki atau titik penyetelan.
Gambar 2.6. Termokontrol Dengan Termokopel
2.8.1 Kontrol On-Off
Pengontrol on–off akan menghidupkan pemanas ketika suhu di bawah titik penyetelan dan mati apabila suhu mencapai titik penyetelan. Kontrol jenis ini digunakan pada sistem dimana kontrol presisi tidak diperlukan, pada sistem dengan masa yang begitu besar sehingga suhu berubah sangat lambat atau untuk sebagai alarm suhu
Kontroler on-off ada dua macam yaitu: 1. Kontroler On-off Murni
= untuk > (2.1) = untuk < ( . 2. Kontroler On-off Hysterisis
Gambar 2.8. Kontroler On-off hysteresis
Kontroler On-off hysteresis adalah sistem yang memiliki penyimpanan yang memiliki efek kepada output dengan perubahan input yang sama, secara sederhana histeresis yaitu perubahan input yang konstan menghasilkan perubahan output yang berbeda.
2.9. Pemanas Elektrik [7]
Elemen pemanas merupakan piranti yang mengubah energi listrik menjadi energi panas. Prinsip kerja elemen panas adalah arus listrik yang mengalir pada elemen menjumpai resistansinya, sehingga menghasilkan panas pada elemen. Sebagian besar elemen pemanas menggunakan bahan nichrome 80/20 (80% nikel, 20% kromium) dalam bentuk kawat, pita, atau strip. 80/20 nichrome merupakan bahan yang baik, karena memiliki ketahanan yang relatif tinggi dan membentuk lapisan kromium oksida ketika dipanaskan untuk pertama kalinya, sehingga bahan di bawah kawat tidak akan teroksidasi untuk mencegah kawat terputus atau terbakar. Gambar 2.9. merupakan salah satu contoh pemanas listrik dengan elemen pemanas berbentuk kawat didalamnya.
Perhitungan daya elemen pemanas menggunakan prinsip hukum ohm.
P = V . I (2.3)
P = Daya (VA)
V = Tegangan (Volt)
Gambar 2.9. Pemanas Elektrik
= . �. ∆ (2.4) = . �. ∆ / (2.5)
Q = kalor (Joule)
P = Daya (Watt = Joule/detik)
m = masa benda (kg)
c = kalor spesifik air (333 kJ/kg)
∆ = perubahan suhu (oC)
T = waktu (detik)
2.10. Pressure Level Switch [8]
Pressure Level Switch merupakan sebuah switch atau saklar yang bekerja dengan
sistem perbedaan tekanan. Saklar elektronik pada sensor ini akan hidup atau mati ketika pengaturan refensi tekanan dilakukan pada batas atas atau bawah. Gambar 2.10 menunjukkan diagram referensi tekanan batas atas dan batas bawah dimana sensor akan bekerja.
Dalam ilmu fisika tekanan mempunyai rumusan sebagai berikut
= �. �. ℎ (2.6)
P = Tekanan (N/m2 = Pa)
ρ = Masa jenis cairan 1x103 ( kg/m3) h = ketinggian cairan (m)
Gambar 2.10. Diagram Referensi Tekanan Batas Atas dan Bawah
Salah satu contoh sensor tekanan dapat dilihat pada gambar 2.11 sensor level Dungs Seri LGW150 A4 dengan spesifikasi teknis sebagai berikut:
Tekanan Maksimal : 500 mbar (50 kPa)
Rentang pengaturan : 30 – 150 mbar
Pengunaan : air dan gas
Temperatur kerja : -150C sampai dengan +700C
Tegangan switch : 10 – 250 V AC dan 12 – 48 V DC
2.11. Motor Induksi 3 Fasa [9]
Motor induksi 3 fasa adalah alat penggerak yang paling banyak digunakan dalam dunia industri. Hal ini dikarenakan motor induksi mempunyai konstruksi yang sederhana, kokoh, harganya relatif murah, serta perawatannya yang mudah, sehingga motor induksi mulai menggeser penggunaan motor DC pada industri. Motor induksi memiliki beberapa parameter yang bersifat non-linier, terutama resistansi rotor, yang memiliki nilai bervariasi untuk kondisi operasi yang berbeda. Hal ini yang menyebabkan pengaturan pada motor induksi lebih rumit dibandingkan dengan motor DC.
Motor induksi merupakan motor arus bolak balik (ac) yang paling luas penggunaannya. Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa arus rotor motor ini bukan diperoleh dari sumber tertentu, tetapi merupakan arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan medan putar (rotating magnetic field) yang dihasilkan oleh arus stator.
Gambar 2.12. Motor 3 Fasa Sangkar Tupai
Belitan stator terdiri dari 3 kelompok lilitan yang berdiri sendiri dengan posisi sudut 1200. Ketika dihubungkan dengan suatu sumber tegangan tiga fasa akan menghasilkan medan magnet yang berputar dengan kecepatan sinkron
� = .�� (2.7) ns = kecepatan sinkron
f = frekuensi p = jumlah pole
Medan putar pada stator tersebut akan memotong konduktor-konduktor pada rotor, sehingga terinduksi arus; dan sesuai dengan Hukum Lentz, rotor pun akan ikut berputar mengikuti medan putar stator. Perbedaan putaran relatif antara stator dan rotor disebut slip.
Stator
Rotor
=��−� �� (2.8) s = Slip ns = kecepatan sinkron n = kecepatan rotor = �. − (2.9)
2.12. Inverter
Inverter merupakan suatu rangkaian yang dapat mengubah sumber tegangan searah (Direct Current – DC) menjadi tegangan bolak-balik (Alernating Current – AC) yang frekuensinya dapat diubah-ubah. Inverter disusun dari perangkat elektronik (thyristor atau SCR) yang mengatur daya DC, On dan OFF sehingga dapat menghasilkan daya luaran AC yang dapat dikontrol frekuensi maupun tegangannya. Inverter ini selanjutnya digunakan untuk mencatu motor induksi. Dengan adanya perubahan kecepatan putaran dari motor induksi sesuai dengan persamaan kecepatan motor sinkron.
Menurut Rashid [10], terdapat tiga jenis inverter, yaitu: (1) inverter sumber arus (Current Source CSI), (2) inverter tegangan variabel (Variable Voltage Inverter-VVI), dan (3) inverter lebar pulsa termodulasi (Pulse Widht Modulation-PWM). Jika digunakan untuk sumber motor induksi, CSI digunakan untuk pengendali arus pada motor, VVI untuk mengontrol tegangan dan frekuensi pada motor untuk menghasilkan operasi kecepatan variabel, dan inverter PWM merupakan inverter penyempurnaan dari inverter VVI, baik pada bagian input tegangan dan output penggerak frekuensi variabel. Inverter PWM merupakan inverter yang paling rumit dan paling mahal jika dibandingkan dengan kedua jenis inverter lain.
Sumber catu ideal yang diinginkan pada keluaran inverter sebenarnya adalah gelombang sinus murni. Gelombang yang tidak sinus murni menyebabkan berbagai kerugian seperti overheat, penurunan faktor daya, penurunan efisiensi dan lain-lain.
Dalam pengunaannya Inverter mengatur frekuensi pada motor sehingga kecepatan yang dihasilkan motor dapat dikendalikan sesuai frekuesnsi pengaturan sesuai dengan rumus kecepatan motor sinkron 2.7.
2.13. Emergency Stop
Emergency Stop adalah sebuah saklar mekanis yang digunakan untuk memutus
mematikan mesin bila terjadi situasi bahaya yang tidak dapat dimatikan secara prosedural.
Emergency stop atau E-stop didesign sedemikian rupa sehingga mudah terlihat dengan
warna kombinasi merah dan kuning, dapat diaktifkan dengan mudah dan cepat. Emergency
stop berupa saklar tekan dengan tipe NC atau NO, saat ditekan akan memutus aliaran listrik
dan secara mekanis akan mempertahankan posisi masuk terkunci sebelum dilepaskan dengan memutar saklar tersebut.
Gambar 2.13. Tombol Emergency Stop
2.14. Solenoid [11]
Solenoid adalah alat yang digunakan untuk mengubah sinyal listrik atau arus listrik menjadi gerak mekanis linear. Solenoid disusun dari kumparan dengan inti besi yang dapat bergerak. Apabila kumparan diberi arus inti / jangkar akan ditarik ke dalam kumparan. Besarnya gaya tarik atau dorong yang dihasilkan solenoid ditentukan dengan jumlah lilitan kawat tembaga dan besar arus yang mengalir melalui kumparan.
Gambar 2.14. Solenoid
2.15. Kran Solenoid [11]
Kran Solenoid adalah kombinasi dari dua unit fungsional, solenoida (elektromagnet) dengan inti atau plunger-nya dan badan katup (valve) yang berisi lubang mulut pada tempat piringan atau stop kontak ditempatkan untuk menghalangi atau mengizinkan aliran.
Aliran melalui lubang mulut adalah dihentikan atau diijkan dengan gerak inti solenoid. Apabila solenoid diberi aliran listrik inti akan ditarik ke dalam kumparan solenoid untuk membuka kran, pegas mengembalikan kran pada posisi asli yaitu tertutup apabila arus listrik berhenti.
Gambar 2.15. Rangkaian Sederhana dan Prinsip Kran Solenoid
Solenoid valve akan bekerja bila kumparan/coil mendapatkan tegangan arus listrik
yang sesuai dengan tegangan kerja (kebanyakan tegangan kerja solenoid valve adalah 100/200VAC dan kebanyakan tegangan kerja pada tegangan DC adalah 12/24VDC). Saat diberi tegangan, pin akan tertarik karena gaya magnet yang dihasilkan dari kumparan selenoida.
Gambar 2.16. Solenoid Valve
2.16. Chemical dispencer
Chemical dispenser menggunakan merek Knight tipe One Shot OS-100 L/S. Dispenser jenis ini menggunakan pengendali mikroprosesor, dan sangat tepat untuk
penggunaan injeksi bahan kimia pada mesin cuci. Fitur kendali yang tersedia diantaranya
pump timer, delay timer, dan lock out time. Sinyal input pemicu kerja pompa adalah 14 –
Gambar 2.17. Chemical Dispenser Knight One Shot OS-100 L/S
2.17. Alaram Buzzer [13]
Buzzer atau beeper adalah sebuah alat pembakit sinyal suara yang bertujuan sebagai
penanda atau pemberi peringatan secara suara. Buzzer disematkan dalam sistem rangkaian alaram, timer dan peringatan konfirmasi terhadap inputan pengguna. Suara yang dihasilkan dibangkitkan dari bebeapa macam cara yaitu secara mekanik, elektomekanik dan
piezoelectric.
Gambar 2.18. Buzzer Piezoelectric
2.18. Mini Circuit Breaker (MCB) [14]
MCB terdapat dua jenis pengaman yaitu secara termal dan elektromagnetis, pengaman termal berfungsi untuk mengamankan arus beban lebih sedangkan pengaman elektromagnetis berfungsi untuk mengamankan jika terjadi hubung singkat.
MCB dalam kerjanya membatasi arus lebih menggunakan gerakan dwilogam untuk memutus rangkaian. Dwilogamini akan bekerja dari panas yang diterima oleh karena energi listrik yang timbul. Pemutusan termal terjadi pada saat terjadi gangguan arus lebih pada rangkaian secara terus-menerus. Gambar 2.19. dapat dilihat rancangan dari sebuah MCB dan cara kerjanya adalah sebagai berikut: (4) Bimetal blade akan melengkung akibat pemanasan oleh arus lebih secara kontinyu pada elemen dwi logam ini. Bengkokkan itu akan
menggerakkan lever sampai (3)Release Pawl berubah posisi sehingga (6) Moving Contact
Arm membuka memutuskan rangkaian.
Gambar 2.19. Design MCB Keterangan gambar:
1. Sambungan Masuk
2. Trip Koil
3. Tuas Pemutus Kontak
4. Batang Bimetal / Bimetal Blade 5. Kontak tetap
6. Lengan Kontak yang bergerak 7. Kisi pemadam busur
8. Tuas pengunci rail bus
9. Sambungan Keluar
MCB dibuat hanya memiliki satu kutub unuk pengaman 1 fasa, sedang untuk pengaman tiga fasa biasanya memiliki tiga kutub dengan tuas yang disatukan, sehingga apabila terjadi gangguan pada salah satu kutub maka kutub yang lain akan ikut terputus.
2.19. Limit Switch [6]
Limit switch adalah sensor mekanis, yaitu sensor yang akan memberikan perubahan
elektrik saat terjadi perubahan mekanik pada sensor tersebut. Limit switch digunakan sebagai sensor posisi suatu benda (objek) yang bergerak.
Gambar 2.21. Simbol dan Contoh Limit Switch
Sebagai sensor posisi atau kondisi suatu objek, limit switch diaktifkan dengan penekanan pada tombolnya, dipasang pada batas/daerah yang telah ditentukan sebelumnya sehingga terjadi pemutusan atau penghubungan aliran listrik pada rangkaian tersebut. Limit
switch memiliki 2 kontak yaitu NO (Normally Open) dan kontak NC (Normally Close)
dimana salah satu kontak akan aktif jika tombolnya tertekan.
2.20. Inductive Proximity Sensor
Inductive proximity sensor yaitu sensor atau saklar yang dapat mendeteksi adanya target jenis logam dengan tanpa adanya kontak fisik, sensor jenis ini biasanya terdiri dari alat elektonis solid-state yang terbungkus rapat untuk menlindunginya dari pengaruh getaran, cairan, kimiawi, dan korosif yang berlebihan. Gambar 2.22. menunjukkan bagaimana proximity sensor dihubungkan dengan sumber tegangan
21