BAB 2
LANDASAN TEORI
2.1 Programmable Logic Controller (PLC)
Kemajuan teknologi yang berkembang pesat dewasa ini mengakibatkan industri sebagai produsen/penghasil barang menggunakan cara-cara otomatisasi untuk meningkatkan jumlah barang yang diproduksinya secara efektif dan efisien. Salah satu peralatan kontrol otomatis yang saat ini banyak digunakan adalah PLC (Programmable Logic Controller).
Nama PLC diberikan oleh sebuah asosiasi yang bernama National Electrical Manufacture Association (NEMA) pada tahun 1978. PLC adalah sebuah relay elektronik yang dioperasikan secara digital menggunakan memory yang dapat diprogram sebagai tempat penyimpanan instruksi-instruksi untuk mengimplementasikan fungsi-fungsi seperti operasi logika, operasi sekuensial, pewaktuan (Timing), pencacah (Counter) sampai pengendali aritmatika. (Wilhelm, 1992, p.7-8).
2.1.1 Arsitektur PLC
PLC biasanya terdiri dari 4 bagian utama yaitu pusat pemrosesan data (data process center), modul masukan/keluaran (input/output module), pemro-graman (programmer), dan catu daya (power supply), seperti yang ditunjukan pada Gambar 2.1.
Data Process Center Programmer
Input Module Output Module
Power Supply
Sumber : Wilhelm, 1992, p.5
Gambar 2. 1. Elemen-elemen dasar PLC
2.1.2 Komponen Internal PLC
Rangkaian Masukan CPU Memori Rangkaian Keluaran Relay
Masukan Pencacah KeluaranRelay
Internal Utility Relay Timer Penyimpan Data Sumber : http://www.plcs.net/chapters/parts3.htm Gambar 2. 2. Komponen PLC
Fungsi masing-masing bagian tersebut adalah :
1. Relay Masukan (Input Relay)
Bagian ini terhubung langsung dengan dunia luar. Relay masukan ada secara fisik dan menerima sinyal dari saklar (switch), sensor, dan lain-lain. Sebenarnya relay masukan bukanlah relay dalam arti sebenarnya, mela-inkan transistor yang difungsikan sebagai relay.
2. Internal Utility Relay
Bagian ini secara fisik tidak ada dan tidak menerima sinyal dari dunia luar. Bagian ini merupakan simulasi dari fungsi sebuah relay dengan tujuan untuk mengurangi relay eksternal.
3. Pencacah (Counter)
4. Timers
Bagian ini tidak memiliki bentuk fisik karena merupakan sebuah simulasi. Timer memiliki banyak jenis dan increment. Jenis timer yang pa-ling sering dijumpai adalah jenis ON-delay, selain itu jenis lainnya adalah OFF-delay. Jenis increment-nya bervariasi dari 1 milidetik sampai 1 detik.
5. Relay Keluaran (Output Relay)
Bagian ini memiliki bentuk fisik dan terhubung dengan dunia luar. Relay keluaran mengirim sinyal aktif/non-aktif (ON/OFF) ke beban seperti lampu, solenoid, dan lain-lain. Relay keluaran dapat berupa transistor, relay, atau pun triac, tergantung dari model yang dipilih.
6. Penyimpan data
Bagian ini mempunyai register yang berfungsi untuk mempermudah penyimpanan data. Penyimpan data digunakan sebagai tempat penyimpanan sementara dari hasil perhitungan atau manipulasi data. Selain itu, juga dapat digunakan untuk menyimpan data ketika catu daya (power) PLC dimatikan. Sehingga ketika catu daya PLC dinyalakan kembali, data-data yang tersim-pan masih sama seperti ketika catu daya dimatikan.
2.1.3 Operasi PLC
nilai timer. Berikut ini adalah 3 tahap penting dari siklus penelusuran PLC seperti yang dapat dilihat pada Gambar 2.3.
Periksa Status Masukan
Perbaharui Status Keluaran Eksekusi Program
Sumber : http://www.plcs.net/chapters/howworks4.htm
Gambar 2. 3. Siklus penelusuran PLC
Proses operasi PLC adalah sebagai berikut :
1. Periksa status masukan (Check Input Status)
Pada langkah ini, PLC melihat keadaan setiap masukan yang ada untuk menentukan kondisi setiap masukan tersebut apakah pada keadaan aktif atau non-aktif. Dengan kata lain, apakah sensor yang terhubung dengan masukan pertama aktif/tidak aktif, masukan kedua aktif/tidak aktif, dan seterusnya. PLC akan menyimpan data masukan tersebut ke memori untuk dapat digunakan pada langkah berikutnya.
2. Eksekusi program (Execute Program)
masukan pertama aktif, maka program tersebut harus mengaktifkan keluaran pertama. Dikarenakan program yang ada telah mengetahui masukan-masuk-an mmasukan-masuk-ana saja ymasukan-masuk-ang aktif/tidak aktif dari lmasukan-masuk-angkah sebelumnya, maka program tersebut akan menentukan apakah keluaran pertama harus diaktifkan atau di-non-aktifkan berdasarkan kondisi dari masukan pertama yang diterimanya. Setelah itu, program akan menyimpan hasil eksekusi tersebut dengan tujuan untuk dapat digunakan pada langkah selanjutnya.
3. Perbaharuan status keluaran (Update Output Status)
Pada langkah terakhir ini, PLC memperbaharui kondisi keluaran ber-dasarkan masukan mana yang aktif pada langkah pertama dan hasil eksekusi program yang dimasukkan pada langkah kedua. Berdasarkan contoh pada langkah kedua, PLC akan mengaktifkan keluaran pertama karena masukan pertama sudah aktif dan program menginstruksikan agar keluaran pertama di-aktifkan pada saat kondisi ini benar. Setelah langkah ini dilalui, PLC akan kembali ke langkah pertama dan menelusuri ulang langkah-langkah tersebut secara terus menerus. Satu kali penelusuran dapat diartikan sebagai waktu yang diperlukan untuk mengeksekusi 3 langkah diatas.
2.2 Finite State Machine (FSM)
kumpulan keluaran dan next state. State machine dapat digambarkan sebagai se-buah fungsi yang memetakan sekumpulan event masukan (input event) menjadi sekumpulan event keluaran (output event) sesuai dengan yang diinginkan. FSM terdiri dari dua bagian penting, yaitu sekumpulan kondisi dan sekumpulan transi-si antara konditransi-si-konditransi-si tersebut. State digambarkan dengan transi-simbol lingkaran, sedangkan transisi digambarkan dengan simbol anak panah. FSM memiliki 2 model yang umum digunakan, yaitu model Mealy dan model Moore.
2.2.1 Model Mealy
Gambar 2.4 menggambarkan model Mealy untuk sebuah state machine.
Logika Kombinasional Untuk Keluaran dan
Next State Clock Register State Keluaran Umpan Balik State Masukan Sumber : http://www2.ele.ufes.br/~ailson/digital2/cld/chapter8/chapter08.doc4.html Gambar 2. 4. Diagram blok model Mealy
A
B
C
D
1/0
0/0
0/0
1/0
0/0
0/0
1/1
1/0
Sumber : http://web.cs.mun.ca/~paul/cs3724/material/web/notes/node25.htmlGambar 2. 5. State transition diagram model Mealy
Lihat Gambar 2.5, mesin ini mempunyai 4 keadaan, dan keluarannya dia-sosiasikan dengan masukan pada kondisi (state machine).
2.2.2 Model Moore
Model lainnya untuk state machine adalah model Moore (lihat Gambar 2.6). Logika Kombinasional Untuk Next State Clock Register Keluaran
Umpan Balik State Masukan Logika Kombinasional Untuk Keluaran Sumber : http://www2.ele.ufes.br/~ailson/digital2/cld/chapter8/chapter08.doc4.html
Gambar 2. 6. Diagram blok model Moore
Keluaran dari model Moore hanya tergantung pada kondisi saat itu (present state). Pada Gambar 2.6, transisi state terjadi bila ada masukan clock. Dalam model ini, transisi adalah fungsi dari masukan dan present state, sedang-kan keluarannya adalah fungsi dari state.
A/0
B/0
C/0
D/0
1
0
0
1
0
0
1
E/1
1
1
0
Sumber : http://web.cs.mun.ca/~paul/cs3724/material/web/notes/node25.htmlGambar 2.7, menunjukkan sebuah diagram state untuk model Moore yang mengerjakan fungsi yang sama seperti pada model Mealy. Perlu diketahui bahwa pada penamaan diagram state model Moore berbeda dengan penamaan pada diagram state model Mealy, transisi-transisi diberi nama dengan masukan-masukan yang menyebabkan terjadinya transisi, sedangkan state-nya diberi nama dengan keluaran yang sesuai (keluaran hanya sebuah fungsi dari state, dan tidak tergantung secara langsung pada masukan). Kondisi awalnya adalah state A dengan keluaran 0, bila ada masukan 1 maka akan berpindah ke state A dengan keluaran 0. Sedangkan bila pada state A diberi masukan 0, maka akan berpindah ke state B dengan keluaran 0. Bila pada state B diberi masukan 0 maka akan berpindah ke state B dengan keluaran 0, sedangkan bila state B diberi masukan 1 maka akan berpindah ke state C dengan keluaran 0. Pada state C, bila diberi masukan 1 maka akan berpindah ke state A dengan keluaran 0, sedangkan bila state C di beri masukan 0 maka akan berpindah ke state D dengan keluaran nol. Pada state D, bila diberi masukan 0 maka akan berpindah ke state B dengan keluaran 0, sedangkan bila state D diberi masukan 1 maka akan berpindah ke state E dengan keluaran 1. Pada state E bila diberi masukan 0, akan berpindah ke state D dengan keluaran 0, sedangkan bila state E diberi masukan 1 maka akan berpindah ke state A dengan keluaran nol.
2.3 ASM Chart
karak-teristik khusus yang dapat mewakili algoritma dari implementasi perangkat keras. Sehingga digunakanlah diagram alur khusus yang disebut dengan Algorithmic State Machine (ASM) chart untuk menentukan algoritma perangkat keras digital.
Pada ASM chart terdiri dari 3 elemen dasar yaitu : 1. State Box
Merupakan kotak persegi panjang yang mengandung operasi transfer register (Register Transfer Operation) atau sinyal keluaran, yang diaktifkan ketika unit pengendali berada dalam state tersebut. Penamaan untuk state di-letakkan di sudut atas kiri kotak, dan kode biner untuk state didi-letakkan di sudut atas kanan kotak (jika digunakan). Gambar State Box dapat lihat pada Gambar 2.8.
Register Operation Or Output
Name BinaryCode
Entry
Exit
Sumber : Mano, Kime, 2004, p.366
Gambar 2. 8. State Box
2. Scalar Decision Box
bilangan biner tunggal dan ekspresi Boolean. Sebuah jalur keluaran akan ter-pakai jika kondisi masukan adalah True (1), dan jalur keluaran yang satunya lagi akan terpakai jika kondisi masukan adalah False (0).
Condition 1
0
Entry
Exit 0 Exit 1
Sumber : Mano, Kime, 2004, p.366
Gambar 2. 9. Scalar Decision Box
3. Conditional Output Box
Register Operation Or Output
Entry From Decision Box
Exit
Sumber : Mano, Kime, 2004, p.366
Gambar 2. 10. Conditional Output Box
Untuk memberi kemudahan, maka ditambahkan elemen ke-4 yaitu, Vector Decision Box (lihat Gambar 2.11). Menggambarkan pengaruh dari suatu fungsi vektor dari masukan-masukan pada pengendali. Vector Decision Box di-gambarkan dengan kotak bentuk segi enam yang memiliki jalur keluaran seba-nyak 2n, untuk suatu n-bit masukan. Kondisi masukannya berupa suatu data de-ngan n-bit bilade-ngan biner atau ekspresi Boolean dari n > 1. Jalur keluaran digu-nakan jika nilai dari data sesuai dengan label yang dicantumkan pada jalur kelu-aran. n-bit Condition Entry ... ... Exit 0 Exit 1 Exit 2n-1
Sumber : Mano, Kime, 2004, p.366
ASM Chart merupakan suatu bentuk dari state diagram untuk rangkaian unit pengendali sekuensial. Setiap State Box sama dengan lingkaran yang terda-pat pada State Diagram. Decision Box sama dengan nilai-nilai masukan pada ga-ris-garis yang menghubungkan lingkaran-lingkaran dalam State Diagram. Transfer register dan keluaran yang terdapat di dalam State Box dan Conditional Output Box dapat disamakan dengan keluaran dari rangkaian sekuensial.
Lihat Gambar 2.12, keluaran yang terdapat di dalam State Box dan juga yang terdapat dalam lingkaran pada State Diagram disebut sebagai model Moore.
0 [0] 2 [1] 1 [0] 0 0 0 1 1 1 H OUT IN IN IN S2 S1 S0 00 10 01 T F T T F F Sumber : http://www2.ele.ufes.br/~ailson/digital2/cld/chapter8/chapter08.doc4.html
Gambar 2. 12. ASM Chart model Moore
an-tar state dalam State Diagram. Karena tergantung pada masukan-masukan, ma-ka disebut sebagai model Mealy.
1 0 0 / 0 1/0 1/1 0/0 S0 1 0 S1 IN IN H OUT T F F T Sumber : http://www2.ele.ufes.br/~ailson/digital2/cld/chapter8/chapter08.doc4.html
Gambar 2. 13. ASM Chart model Mealy
Jadi, jika suatu ASM Chart adalah model Moore maka tidak terdapat Conditional Output Box dan jika dalam suatu ASM chart adalah model Mealy maka terdapat Conditional Output Box.
2.4 FSM based PLC (Finite State Machine based Programmable Logic Controller)
dari suatu state ke state lain berdasarkan kondisi masukan saat itu, salah satu caranya adalah dengan menggunakan sebuah metode yang disebut FSM (Finite State Machine).
Jika desain sistem yang diinginkan hanya membutuhkan suatu pengendali untuk menerima sejumlah masukan dan mengendalikan sejumlah keluaran yang sudah ditentukan, maka cara terbaik untuk desain tersebut adalah menggunakan PLC. Jadi FSM based PLC adalah sebuah PLC yang menggunakan konsep FSM sebagai dasar dalam merancang unit pengendali.
FSM based PLC ditujukan untuk mempermudah perubahan sebuah pro-ses, dari suatu produk tertentu menjadi produk yang lain dengan menggunakan mesin yang sama tanpa perlu merubah rangkaian, melainkan hanya dengan me-ngubah program.
2.5 Relay
yang dihasilkan dengan memanfaatkan rangkaian pneumatic dan hidrolik, dima-na masukannya berupa arus listrik dan keluarannya berupa mekanik.
Sumber : http://electronics.howstuffworks.com/relay.htm
Gambar 2. 14. Bagian dalam Relay
Relay terdiri dari sebuah sensing unit dan kumparan yang diaktifkan oleh arus DC ataupun AC, lihat Gambar 2.15. Ketika catu daya diberikan ke kumpar-an, kumparan akan menghasilkan suatu medan magnet yang akan menarik sen-sing unit. Pada saat sensen-sing unit tertarik, maka sensen-sing unit akan menutup kon-tak yang terbuka atau membuka konkon-tak yang tertutup.
Sumber Tegangan 220V AC Sumber Tegangan 12V DC Relay
2 fungsi dasar relay adalah :
1. Kendali aktif/non-aktif (On/Off control)
Contohnya pada sebuah AC (Air Conditioning), relay digunakan untuk me-ngendalikan beban yang memerlukan daya besar seperti kompresor.
2. Pembatas (Limit control)
Relay ini berfungsi sebagai pengendali kecepatan motor, yang akan meng-hentikan jika motor tersebut berputar lebih lambat atau lebih cepat dari kece-patan yang diinginkan.
Ada beberapa jenis relay elektromekanik, yaitu a. Relay umum
Relay ini dibatasi oleh jumlah arus yang dapat mengalir pada kontak saklar. Pada umumnya, relay ini mempunyai 5 sampai 8 kaki dan dapat berupa satu atau dua jalur.
b. Power Relay
Power relay mampu mengendalikan beban dengan daya yang besar. Kontak saklar relay ini mampu dialiri arus 10 hingga 50 Ampere, bahkan lebih. c. Penghubung (Contactor)
Relay ini merupakan jenis khusus dari power relay, yang digunakan dalam aplikasi industri untuk mengendalikan arus dan tegangan tinggi.
d. Relay waktu tunda (Time Delay Relay)
ter-tentu setelah kumparan diaktifkan. Relay ini memiliki 2 jenis, yaitu delay-on operate dan delay-on-release.
2.5.1 Kontak (Contact)
Kontak adalah bagian yang terpenting dari sebuah relay. Faktor-faktor yang dapat mempengaruhi karakteristik relay antara lain bahan-bahan dari kon-tak relay, besar tegangan dan arus yang melaluinya, jenis beban, dan frekuensi kerja (operating frequency).
Untuk memperpanjang masa pakai sebuah relay, dibutuhkan sebuah rang-kaian pelindung untuk mengurangi gangguan (noise) dan mencegah terjadinya penimbunan karbon pada permukaan kontak. Komponen-komponen yang dapat melindungi kontak antara lain resistor.
Beberapa jenis susunan kontak relay, antara lain : a. Kontak bentuk A
Merupakan sebuah kontak jenis Normally Open (NO), dimana kontak dalam keadaan terbuka ketika kumparan tidak diberi tegangan dan tertutup ketika kumparan diberi tegangan.
b. Kontak bentuk B
Merupakan sebuah kontak jenis Normally Closed (NC), dimana kontak da-lam keadaan tertutup ketika kumparan tidak diberi tegangan dan terbuka keti-ka kumparan diberi tegangan.
c. Kontak bentuk C
2.6 Motor
Beberapa jenis motor DC, contohnya adalah motor stepper, motor servo, motor dengan sikat atau tanpa sikat.
2.6.1 Motor Stepper
Motor stepper terdiri dari berbagai macam ukuran dan kekuatan torsi, mulai dari ukuran kecil yang digunakan pada floppy disc drive, sampai motor stepper dengan ukuran besar yang digunakan pada mesin-mesin industri. Pada umumnya motor stepper dibagi menjadi 2 jenis, yaitu jenis bipolar dan unipolar. Motor stepper bipolar mempunyai 4 kabel, sedangkan motor stepper unipolar mempunyai 5, 6, atau 8 kabel.
Sumber : http://www.stepperworld.com Gambar 2. 16. Kumparan pada motor stepper
Besar-nya hambatan dari terminal ke center-tap, setengah kaliBesar-nya dari besar hambatan di antara dua terminal kumparan. Biasanya besar hambatan kumparan tertulis pada motor. Sebagai contoh tertulis ‘5 ohms/phase’, ini berarti hambatan dari center-tap ke terminal kumparan sebesar 5 ohm dan besar hambatan dari termi-nal ke termitermi-nal sebesar 10 ohm.
+
-Sumber Tegangan DC Sumber : http://www.stepperworld.com
Gambar 2. 17. Konsep kerja motor stepper
V + CT K umparan 1 K umparan 2 V + CT V + CT K umparan 1 K umparan 2 V + CT V + CT T1A T1B K umparan 1 K umparan 2 T2A T2B V + CT T1A T1B T2A T2B T1A T1B T2A T2B V + CT K umparan 1 K umparan 2 V + CT T1A T1B T2A T2B
Gambar 2. 18. Pola perpindahan tegangan positif dan Ground pada motor stepper unipolar
Pada pengendali motor stepper bipolar, arus balik dihasilkan dengan membalik polaritas kedua terminal kumparan. Sedangkan pengendali motor stepper unipolar menggunakan center-tap untuk menghasilkan arus balik. Center-tap tersebut dihubungkan ke kutub positif dari catu daya, dan salah satu dari empat terminal dihubungkan ke tanah untuk mendapatkan satu step perge-rakan motor. Sedang untuk mendapatkan pergeperge-rakan motor yang continuous, hubungkan terminal lain ke tanah secara berurutan (lihat Gambar 2.18). Arus da-pat mengalir dengan dua arah, tetapi dalam satu saat hanya boleh setengah kum-paran yang aktif. Ini artinya keempat terminal tidak boleh dihubungkan ke tanah pada saat bersamaan.
Center-tap kumparan dihubungkan ke sumber tegangan positif dan termi-nal dari tiap kumparan secara bergantian dihubungkan ke tanah dengan urutan yang benar agar dapat menarik rotor, seperti yang ditunjukan oleh Gambar 2.19 (ingat bahwa sebuah arus yang melalui sebuah koil menghasilkan medan magnet). Konsep diagram ini menggambarkan 90o step per phase.
Dalam dasar urutan searah jarum jam “Wave Drive”, gulungan 1a tidak aktif dan 2a aktif untuk menuju ke fase berikutnya. Rotor diarahkan dari satu kumparan ke kumparan selanjutnya, menghasilkan sebuah siklus terus menerus. Perlu diketahui bahwa jika 2 kumparan aktif, maka rotor akan tertarik diantara 2 kumparan tersebut.
2.6.2 Motor DC
Pada umumnya sebuah motor DC bila dilihat dari luar akan nampak se-perti sebuah kaleng yang mempunyai bagian motor, poros, tutup yang terbuat dari bahan nilon, dan dua buah kabel (lihat Gambar 2.20). Jika kita hubungkan kedua kabel tesebut (positif-negatif) ke sebuah baterai, maka poros akan berputar (misalnya, maju). Dan jika kita balik hubungan kedua kabel (negatif-positif) ter-sebut, maka poros akan berputar berlawanan arah (mundur).
Sumber : http://www.howstuffworks.com/motor2.htm
Sumber : http://www.howstuffworks.com/motor2.htm
Gambar 2. 21. Tutup nilon motor DC
Tutup nilon pada motor DC ditahan oleh dua buah besi, bagian dari ka-leng. Dengan membuka kedua besi tersebut, tutup nilon pada motor DC dapat ditarik. Pada tutup nilon, terdapat sikat-sikat yang berfungsi menyalurkan daya dari baterai ke commutator sehingga motor berputar, lihat Gambar 2.21.
Sumber : http://www.howstuffworks.com/motor3.htm
Gambar 2. 22. Bagian Commutator dan Armature
de-ngan kabel tembaga kecil yang dililit di setiap kutub dari tiga kutub Armature. Akhir dari setiap kabel (sebuah kabel untuk tiap kutub) disolder ke sebuah termi-nal, lalu setiap teminal dari 3 terminal dihubungkan ke sebuah Commutator.
Sumber : http://www.howstuffworks.com/motor3.htm
Gambar 2. 23. Bagian medan magnet
Bagian terakhir dari motor DC adalah medan magnet (lihat Gambar 2.23). Medan magnet pada motor DC dihasilkan oleh kaleng itu dan dua buah magnet lengkung permanen. Di antara sela-sela magnet terdapat sebuah klip yang berfungsi untuk menekan ujung-ujung dari kedua magnet.
2.6. Photodioda
Photodioda merupakan sebuah komponen elektrik (lihat Gambar 2.24) dan sejenis Photodetector. Photodioda adalah suatu p-n junction yang dibuat agar responsif terhadap masukan cahaya (Optical Input).
Sumber : http://www.jiannwa.com.tw/con-29.htm
