PERANCANGAN SISTEM PENGISIAN PENYUSUNAN TUTUP DAN OTOMATISASI PADA MESIN PENGISIAN DAN PENUTUPAN BOTOL

PERANCANGAN SISTEM PENGISIAN PENYUSUNAN TUTUP DAN OTOMATISASI PADA MESIN PENGISIAN DAN PENUTUPAN BOTOL

TUGAS AKHIR

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

pada

Bidang Studi Desain

Program Studi S-1 Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Sepuluh Nopember

Oleh:

ROHMAN ENDRIYATNO WIBOWO NRP 2103 100 041

Disetujui oleh Tim Penguji Tugas Akhir : 1. Ir. Arie Joewono

NIP. 130 519 875 ... (Pembimbing) 2. Ir A. Aziz Achmad

NIP. 130 936 832 ... (Penguji I) 3. Ir Julendra B. A.,MT

NIP. 132 232 027 ... (Penguji II) 4. Wiwiek Hendrowati, ST. MT.

NIP. 132 173 133 ... (Penguji III) SURABAYA

PERANCANGAN SISTEM PENGISIAN, PENYUSUNAN TUTUP DAN OTOMATISASI

PADA MESIN PENGISIAN DAN PENUTUPAN BOTOL

Nama Mahasiswa : ROHMAN ENDRIYATNO W.

NRP : 2103 100 041

Jurusan : Teknik Mesin FTI-ITS

Dosen Pembimbing : Ir. ARIE JOEWONO Abstrak

Salah satu upaya membantu perkembangan industri kecil menengah dibidang usaha air mineral dalam kemasan botol adalah memberikan masukan alternatif pemilihan mesin dengan cara merancang sistem yang sesuai dan harga yang menjangkau.

Dalam Tugas Akhir ini dilakukan perancangan sistem pengisian botol, penyusunan tutup botol, dan otomatisasi sistem. Pada sistem pengisian dihitung gaya-gaya reaksi yang bekerja akibat fluida serta daya pompa, sampai diperoleh geometri sistem pengisian dan daya pompa yang sesuai. Pada sistem penyusunan tutup botol dihitung gaya-gaya reaksi, sudut untuk memutar tutup, sampai diperoleh geometri sistem penyusunan tutup botol dan daya motor yang dibutuhkan. Pada bagian otomatisasi dirancang sistem otomatis yang mengatur jalannya proses serta panel-panel kontrol yang dibutuhkan berbasis pada PLC (Programable Logic Controller) Siemens S7-200 CPU 214 dan program yang digunakan STEP 7 Micro/WIN 32.

Akhirnya dari hasil perancangan didapatkan geometri sistem pengisian botol dan penyusunan tutup botol serta rancangan sistem otomatis sampai jumlah biaya bahan yang dibutuhkan untuk membuat sistem tersebut.

Kata kunci: Pengisian botol, penyusunan tutup botol, PLC (programable Logic Controller)

DESIGN FILLING, CAPPING AND AUTOMATIZATION SYSTEM

AT BOTTLE FILLING AND CAPPING MACHINE

Nama Mahasiswa : ROHMAN ENDRIYATNO W.

NRP : 2103 100 041

Jurusan : Teknik Mesin FTI-ITS

Dosen Pembimbing : Ir. ARIE JOEWONO Abstract

One of effort to foster middle small industry of mineral water in bottle tidiness is by giving machine election alternative by designing the appropriate system and the price reaching.

In this final project done a design of filling, capping and automatization system. At filling system calculated all force effect of fluid and also the energy of pump, obtained geometry of filling system and energy of appropriate pump. At capping system calculated force effect, angle to rotating cap of bottle, obtained geometry of capping system and motor energy required. At automatization system designed an automatic system that arranging the process and also panel of control required base on PLC ( Programable Logic Controller) Siemens S7-200 CPU 214 and program use STEP 7 Micro/WIN 32.

Finally from the result of design obtained geometry of bottle filling and capping and also design of automatic system sum up expense material required to make the system.

Key words : filling, capping ,PLC (programable Logic Controller)

v DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL

ABSTRAK ... i

HALAMAN PENGESAHAN... iii

KATA PENGANTAR... iv

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR GAMBAR ... vii

DAFTAR GRAFIK ... ix DAFTAR TABEL ... x NOMENKLATUR ... xi BAB I PENDAHULUAN ... 1 1.1. Latar Belakang ... 1 1.2. Perumusan masalah ... 3 1.3. Tujuan Penelitian... 3 1.4. Manfaat Penelitian ... 4 1.5. Batasan Masalah ... 4

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA... 5

2.1. Morfologi botol dan tutupnya... 5

Bagian tutup botol... 5

Proses penyusunan tutup botol... 6

Bagian bodi botol... 6

2.2. Pengisian botol (filling) ... 7

Head loss dan daya pompa... 7

Major loses... 7

Minor loses... 8

Gaya reaksi... 12

Stopper (pneumatik) ... 13

2.3. Pengaturan tutup... 25

2.4. Programable Logic Controller (PLC) ... 26

BAB III METODOLOGI ... 39

3.1. Tahapan-Tahapan Penelitian ... 39

Tahap Definisi dan Pembagian Tugas... 39

Tahap Penentuan Persyaratan Produk... 39

vi

Tahap Perancangan Sistem Penyusun Tutup Botol ... 40

Tahap Perancangan Otomatisasi... 40

Tahap Perhitungan Biaya ... 40

3.2. Flowchart General Perancangan Bagian Pengisian, Penyusunan Tutup Botol dan Otomatisasi ... 40

Bagian pengisian... 40

Bagian Penyusunan Tutup Botol... 42

Bagian Otomatisasi ... 44

3.3. Gambar Rancangan... 45

3.4. Prinsip Kerja ... 47

BAB IV PERANCANGAN SISTEM PENGISIAN ... 49

4.1. Perhitungan Daya Pompa... 49

4.2. Perhitungan Gaya Reaksi... 60

4.3. Perancangan Sistem Pendorong Botol ... 68

BAB V PERANCANGAN SISTEM PENGATURAN TUTUP BOTOL... 77

5.1. Perhitungan Sudut Bak Pemutar Tutup... 77

5.2. Perhitungan Torsi... 84

5.3. Daya Motor... 85

5.4. Rel dan Pelurus Tutup... 86

BAB VI PERANCANGAN OTOMATISASI ... 89

6.1. Input Output... 89

6.2. Diagram pewaktuan dan Timer Yang Digunakan ... 91

6.3. Pengalamatan input otput... 94

6.4. Cara Menggambar Ladder Diagram ... 95

6.5. Ladder Diagram ... 97

6.6. Download Program/Ladder Diagram... 101

6.7. Prosedur Operasi... 104

6.8. Desain Otomatisasi Alternatif... 105

BAB VII ANALISA BIAYA ... 117

BAB VIII KESIMPULAN DAN SARAN ... 119

8.1. Kesimpulan ... 119

8.2. Saran ... 123

vii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Tutup botol ... 5

Gambar 2.2.Free body diagram tutup botol... 5

Gambar 2.3 Bodi botol ... 6

Gambar 2.4 Alur sizing desain ... 14

Gambar 2.5 Gaya pada silinder ... 16

Gambar 2.6 Sistem layout dan hubungan PLC ... 27

Gambar 2.7 Simbol NO... 30

Gambar 2.8 Simbol NC ... 30

Gambar 2.9 Simbol CR... 30

Gambar 2.10 Diagram instruksi LD dan LDNOT ... 31

Gambar 2.11 Diagram instruksi AND dan ANDNOT ... 31

Gambar 2.12 Diagram instruksi OR dan ORNOT ... 32

Gambar 2.13 Ladder instruksi END... 32

Gambar 2.14 Proses pembacaan... 34

Gambar 2.15 Pembacaan pergaris ... 35

Gambar 2.16 Fungsi pewaktu dengan satu masukan... 35

Gambar 2.17 Fungsi pewaktu dengan dua masukan ... 36

Gambar 2.18 Fungsi pewaktu dengan tiga masukan ... 36

Gambar 2.19 Fungsi pencacah ... 37

Gambar 2.20 Fungsi pencacah kombinasi... 37

Gambar 3.1 Flow Chart Perancangan Sistem Pengisian... 41

Gambar 3.2 Flow Chart Penentuan Daya Pemutar Penyusun Tutup Botol ... 43

Gambar 3.3 Flow Chart Perancangan Otomatisasi... 44

Gambar 3.4 Gambar keseluruhan sistem... 45

Gambar 3.5 Gambar sistem pengisian... 46

Gambar 3.6 Gambar sistem penyusunan tutup botol... 47

Gambar 4.1 Pandangan samping sistem pengisian... 49

Gambar 4.2 Instalasi perpipaan ... 50

Gambar 4.3 Valve dan nozzle ... 50

Gambar 4.4 Elbow... 53

viii

Gambar 4.6 Standard tee... 54

Gambar 4.7 Free body diagram sistem pengisian ... 60

Gambar 4.8 Frame pengisian ... 66

Gambar 4.9 Sistem pendorong... 68

Gambar 4.10 Pandangan atas sistem pendorong... 68

Gambar 4.11 Stopper ... 69

Gambar 4.12 Sirkit pneumatik ... 75

Gambar 5.1 Pengatur tutup ... 77

Gambar 5.2 Free body diagram tutup botol ketika diputar untuk semua kondisi ... 77

Gambar 5.3 Dimensi tutup botol (dalam mm) ... 78

Gambar 5.3 Gaya sentrifugal searah Wsinβ... 83

Gambar 5.5 Rel tutup... 86

Gambar 5.6 Pelurus tutup ... 87

Gambar 6.1 Box kontrol... 90

Gambar 6.2 Diagram pewaktuan... 91

Gambar 6.3 Timer yang digunakan... 92

Gambar 6.4 Jendela STEP 7-Micro/WIN 32 ... 95

Gambar 6.5 Ladder diagram... . 100

Gambar 6.6 Menu Stop... 101

Gambar 6.7 Pilihan mode... 101

Gambar 6.8 Toolbar download... 102

Gambar 6.9 Pilihan yang didownload... 102

Gambar 6.10 Proses download sukses... 102

Gambar 6.11 Instalasi hardware input output... 103

Gambar 6.12 Penempatan sensor pada desain otomatis.... 105

ix

DAFTAR GRAFIK Grafik 2.1 Koefisien minor losses sudden

contraction (penyempitan) dan sudden

enlargement (pembesaran) ... 9

Grafik 2.2.Koefisien minor losses untuk diffuser ... 10

Grafik 2.3 Koefisien minor losses untuk pipa bend dan elbow. 11 Grafik 2.4 Normograf seleksi diameter dalam silinder ... 17

Grafik 2.5 Grafik kemampuan absorbsi (W-v)... 19

Grafik 2.6 Konstanta K ... 20

Grafik 2.7 Efektif sectional area dari selang nylon... 22

x

DAFTAR TABEL

Tabel 1.1 Tingkat Kesulitan Proses Produksi... 2

Tabel 1.2 Mesin Pengemas Botol... 2

Tabel 2.1 Koefisien minor losses untuk pipa... 8

Tabel 2.2 Koefisien minor losses untuk nozzle... 10

Tabel 2.3 Koefisien minor losses untuk valve dan fitting... 12

Tabel 2.4 Koefisien friksi (μ)……….. 16

Tabel 2.5 Tabel rumus gaya pneumatik... 16

Tabel 2.6 Efektif sectional area dari valve... 20

Tabel 2.7 Efektif sectional area dari speed controller... 20

Tabel 2.8 Efektif sectional area dari silencer... 21

Tabel 2.9 Seleksi unit FRL... 25

Tabel 6.1 Input dan output... 94

xi

NOMENKLATUR

Simbol Keterangan Satuan

Bagian Pengisian Q Debit air s m3 A Luas m2 p Tekanan atm

V

Kecepatan rata-rata air dalam

pipa

m

s

2

z Ketinggian m

α Koefisien energi kinetik

h Δ head 2 2 s m Re Reynolds number

ρ

Massa jenis 3

m

kg

μ

Viskositas absolut 2 m Ns T Temperatur o_C D Diameter pipa m

HLT Head loss total

2 2

s m

hL Head loss mayor

2 2

s m

hlm Head loss minor

2 2 s m

f

Friction faktor e Roughness mm L Panjang pipa m

Le Panjang pipa ekuivalen dari pipa lurus

m K Koefisien loss

xii

θ

Sudut defleksi elbow degrees

W

&

Daya pompa hp

P Daya motor hp

η

_Efisiensi 0 0 Gaya Reaksi Fs Surface force N FB Body force N W Berat N

Ry Gaya reaksi arah y N P Gaya pada frame filling N

v Kecepatan air dalam pipa

2

s m

t Tinggi frame filling cm s Lebar frame filling cm b Lebar penampang frame

filling

mm h Panjang penampang frame

filling mm n

σ

Tegangan normal 2 m N m

σ

Tegangan bending 2

m

N

Fn Gaya normal N

Syp Tensile yield strength psi N Safety faktor Pneumatik P Working pressure 2

cm

kgf

t Waktu gerak stroke s

L Stroke silinder mm W Berat beban kgf

μ

_{Koefisien friksi} N Frekwensi operasi min cycle

xiii l Panjang pipa m F Beban silinder kgf

ω

Load faktor 0₀ D Diameter silinder cm v Speed/kecepatan silinder

s

mm

o

v

Speed/kecepatan silinder maksimum

mm

s

E Enegi kinetik kgf.m

S Efektif sectional area

gabungan mm

2

Sa Efektif sectional area valve mm2 Sb Efektif sectional area speed

controller

mm2 Sc Efektif sectional area silencer mm2 Sd Efektif sectional area pipa mm2 Vo Volume exhaust silinder l

V

Δ Volume exhaust pipa l

Q Air capacity l/min

Bagian Pemutar Tutup

W Gaya berat N

β

Sudut bak pemutar tutup terhadap arah horisontal

degree

Fs Gaya sentrifugal N

m Massa tutup gram

V Kecepatan

s m2

R Jari-jari disk pemutar tutup cm

ρ

_{Masa jenis} 3

m

kg

d Diameter tutup mm n Putaran disk rpm

xiv atas

h Jarak pusat massa tutup dari rongga bawah mm T Torsi Nm I Inersia m4

α

Percepatan sudut

s

rad

N Gaya normal N k

μ

Koefisien gesik kinetik g Percepatan gravitasi 2 s m F Gaya pegas N K Konstanta pegas

m

N

x Defleksi pegas m HP Daya motor hp