10.bab 3 [PDF]

Citation preview

BAB III TEORI PENNUNJANG 3.1 SISTEM KENDALI DENGAN PLC 3.1.1. Definisi PLC Kata



Programmable



Logic



Controller



atau



yang



sering



disingkat



dengan PLC seringkali kita temui beberapa tahun terakhir. Pada mulanya alat ini digunakan untuk menggantikan sistem kontrol berbasis relay yang tidak fleksibel dan mahal. Nah, di dalam topik ini akan kita ulas mengenai definisi dan fungsi dari PLC tersebut dari berbagai sumber yang dapat dipercaya. Berdasarkan namanya, konsep Programmable Logic Controller adalah sebagai berikut : 1. Programmable, menunjukkan kemampuan untuk menyimpan program yang telah dibuat ke dalam memory, yang dengan mudah dapat diubah-ubah fungsi atau kegunaannya. 2. Logic, menunjukkan kemampuan dalam memproses input secara aritmatik dan logic (ALU), yakni melakukan operasi membandingkan, menjumlahkan, mengalikan, membagi, mengurangi, negasi, AND, OR, dan lain sebagainya. 3. Controller, menunjukkan kemampuan dalam mengontrol dan mengatur proses sehingga menghasilkan output yang diinginkan.



Gambar 3.1 Rangkaian PLC Sumber: http://indoware.com/apa-itu-plc.html



15



16



Sedangkan menurut National Electrical Manufacturing Assosiation (NEMA), PLC didefinisikan sebagai suatu perangkat elektronik digital dengan memori yang dapat diprogram untuk menyimpan instruksi-instruksi yang menjalankan fungsi-fungsi spesifik seperti: logika, sekuen, timing, counting, dan aritmatika untuk mengontrol suatu mesin industri atau proses industri sesuai dengan yang diinginkan. PLC mampu mengerjakan suatu proses terus menerus sesuai variabel masukan dan memberikan keputusan sesuai keinginan pemrograman sehingga nilai keluaran tetap terkontrol. Definisi lain menurut forumsains.com, PLC merupakan “komputer khusus” untuk aplikasi dalam industri, untuk memonitor proses, dan untuk menggantikan hard wiring control dan memiliki bahasa pemrograman sendiri. Akan tetapi PLC berbeda dengan perangkat komputer karena dirancang untuk instalasi dan perawatan oleh teknisi dan ahli listrik di industri yang tidak harus mempunyai kemampuan elektronika tinggi dan memberikan kendali yang fleksibel berdasarkan eksekusi instruksi logika. Sedangkan menurut Capiel (1982), PLC adalah sistem elektronik yang beroperasi secara digital dan didisain untuk pemakaian di lingkungan industri, dimana sistem ini menggunakan memori yang dapat diprogram untuk penyimpanan secara internal instruksiinstruksi yang mengimplementasikan fungsi-fungsi spesifik seperti logika, urutan, perwaktuan, pencacahan dan operasi aritmatik untuk mengontrol mesin atau proses melalui modul-modul I/O digital maupun analog.



Fungsi dan kegunaan dari PLC dapat dikatakan hampir tidak terbatas. Tapi dalam prakteknya dapat dibagi secara umum dan khusus. 3.1.1.1. Fungsi Umum Secara umum fungsi dari PLC adalah sebagai berikut : 1. Kontrol Sekuensial Memproses input sinyal biner menjadi output yang digunakan untuk keperluan pemrosesan teknik secara berurutan (sekuensial), disini PLC menjaga agar semua step / langkah dalam proses sekuensial berlangsung dalam urutan yang tepat. 2. Monitoring Plant Memonitor suatu sistem (misalnya temperatur, tekanan, tingkat ketinggian) dan



17



mengambil tindakan yang diperlukan sehubungan dengan proses yang dikontrol (misalnya nilai sudah melebihi batas) atau menampilkan pesan tersebut ke operator.



3.1.1.2. Fungsi Khusus Sedangkan secara khusus, PLC mempunyai fungsi sebagai pemberi masukan (input) ke CNC (Computerized Numerical Control) untuk kepentingan pemrosesan lebih lanjut. CNC mempunyai ketelitian yang lebih tinggi dan lebih mahal harganya jika dibandingkan dengan PLC. Perangkat ini, biasanya dipakai untuk proses finishing, membentuk benda kerja, moulding dan sebagainya. 3.1.2. Komponen PLC Komponen-komponen penyusun PLC terdiri dari komponen utama dan komponen tambahan. Penjelasannya akan dikupas tuntas pada artikel-artikel berikutnya 1. Mengenal Komponen Penyusun PLC – bagian 1 2. Mengenal Komponen PLC – bagian 2 – Unit I/O 3. Komponen Tambahan PLC



3.1.3. Kelebihan dan Kekurangan PLC Secara luas, PLC digunakan untuk menggantikan sistem relay konvensional, karena PLC mempunyai kelebihan-kelebihan dibanding sistem relay.Namun selain dari kelebihannya, perlu kita ketahui juga kekurangan PLCdibanding sistem relay konvensional, karena di beberapa industri masih memilih menggunakan sistem tersebut.



3.2 VARIBALE SPEED DRIVE(VSD)



Inverter / variable frequency drive / variable speed drive merupakan sebuah alat pengatur kecepatan motor dengan mengubah nilai frekuensi dan tegangan yang masuk ke motor. pengaturan nilai frekuensi dan tegangan ini dimaksudkan untuk mendapatkan kecepatan putaran dan torsi motor yang di inginkan atau sesuai dengan kebutuhan. Secara sederhana



18



prinsip dasar inverter untuk dapat mengubah frekuensi menjadi lebih kecil atau lebih besar yaitu dengan mengubah tegangan AC menjadi tegangan DC kemudian dijadikan tegangan AC lagi dengan frekuensi yang berbeda atau dapat diatur.



Gambar 3.2 Sistem VSD Sumber: http://trikueni-desain-sistem.blogspot.co.id/2013/09/Prinsip-Dasar-Inverter.html



Untuk mengubah tegangan AC menjadi DC dibutuhkan penyearah (converter AC-DC) dan biasanya menggunakan penyearah tidak terkendali (rectifier dioda) namun juga ada yang menggunakan penyearah terkendali (thyristor rectifier). Setelah tegangan sudah diubah menjadi DC maka diperlukan perbaikan kualitas tegangan DC dengan menggunakan tandon kapasitor sebagai perata tegangan. Kemudian tegangan DC diubah menjadi tegangan AC kembali oleh inverter dengan teknik PWM (Pulse Width Modulation). Dengan teknik PWM ini bisa didapatkan amplitudo dan frekuensi keluaran yang diinginkan. Selain itu teknik PWM juga menghasilkan harmonisa yang jauh lebih kecil dari pada teknik yang lain serta menghasilkan gelombang sinusoidal, dimana kita tahu kalau harmonisa ini akan menimbulkan rugi-rugi pada motor yaitu cepat panas. Maka dari itu teknik PWM inilah yang biasanya dipakai dalam mengubah tegangan DC menjadi AC (Inverter). Memang ada banyak cara untuk mengatur/mengurangi kecepatan motor seperti dengan gear box / reducer. Namun mengatur kecepatan motor dengan inverter akan memperoleh banyak keuntungan yang lebih bila dibandingkan dengan cara-cara yang lain. Seperti : jangkauan yang luas untuk pengaturan kecepatan dan torsi motor, mempunyai akselerasi dan deselerasi yang dapat diatur, mempermudah proses monitoring/pengecekan, sistem proteksi motor yang baik, mengurangi arus starting motor dan menghemat pemakaian energi listrik, memperhalus start awal motor .



Terdapat banyak produk inverter (Variable speed drive) di pasaran dengan berbagai vendor, seperti : Mitsubishi, Altivar, Siemen, LG, Omron, Hitachi, Yaskawa, Fuji .



19



Gambar 3.3 Macam-Macam VSD Sumber: http://trikueni-desain-sistem.blogspot.co.id/2013/09/Prinsip-Dasar-Inverter.html



Pemilihan inverter yang benar tentunya dengan memperhatikan spesifikasi dari motor serta keperluan dalam pemakaian inverter itu sendiri. seperti dengan memperhatikan daya motor, tegangan motor, frekuensi motor. contohnya anda memiliki motor 3 phase 3KW, maka anda perlu menggunakan inverter dengan spesifikasi daya diatas 3 kw seperti 3,2 kw atau 3,3 kw dan tentunya tegangan keluaran dari inverter harus sama dengan tegangan motor. sebenarnya anda juga bisa menggunakan inverter dengan daya 3 kw untuk motor 3 kw tapi dengan syarat anda menggunakan motor tersebut dengan beban yang kecil atau dengan kata lain motor tidak digunakan dengan daya maksimal.



Jadi penting untuk mengetahui arus pada motor saat dijalankan dengan beban, untuk settingan ampere pada inverter sebagai proteksi motor, serta untuk menghitung daya beban yang berguna dalam pemilihan inverter. Pemilihan inverter dengan mendekati daya motor akan lebih efisien daripada memilih inverter jauh diatas dari daya motor. Berikut ini akan saya gambarkan rangkaian kontrol forward reverse motor dengan inverter secara sederhana dengan menggunakan inverter vendor mitsubishi.



Rangkaian motor induksi putar kanan kiri (forward reverse)



20



Gambar 3.4 Pemasangan Inverter Untuk Instalasi Motor Sumber: http://trikueni-desain-sistem.blogspot.co.id/2013/09/Prinsip-Dasar-Inverter.html



Dari gambar diatas bisa dilihat bahwa pengaturan frekuensi inverter dilakukan dengan mode eksternal menggunakan potensiometer. pengaturan frekuensi juga bisa dilakukan tanpa potensio dengan mengganti settingan inverter dengan mode internal. Dari gambar diatas juga bisa dilihat jika sinyal kontrol output SD dihubungkan dengan STF maka motor akan berjalan maju/forward sedangkan jika dihubungkan ke STR maka motor akan berjalan mundur/reverse. Pengaturan kontrol forward reverse ini diatur oleh relay CR1 dan CR2.



Inverter merupakan alat untuk mengatur kecepatan putaran motor dengan cara mengubah frekuensi listrik sesuai dengan kecepatan motor yang diinginkan. Secara sederhana prinsip dasar dari Inverter (Variabel Frequency Drive) adalah mengubah input motor(Listrik AC) menjadi DC dan kemudian dijadikan AC lagi dengan frekuensi yang dikehendaki sehingga motor dapat dikontrol sesuai dengan kecepatan yang diinginkan. Berikut rumus dasar pengaturan RPM yang tergantung dari frekuensi dan jumlah kutub (pole)



21



Ket: n : Kecepatan Motor ( rpm ) Ns=120.f/p



f : Frekuensi Listrik ( Hz ) P : Jumlah Kutub Motor Alasan



Menggunakan



Inverter, Pertanyaannya kenapa sih kita harus menggunakan Inverter ? Jawabannya selain karena Inverter bisa mengatur kecepatan motor juga karena hal-hal berikut ini :



1)Tersedia untuk berbagai ukuran daya 2)Mampu menangani kebutuhan yang luas untuk torsi dan kecepatan. 3)Adaptabel untuk segala kondisi operasi. 4)Electric drive dapat dioperasikan secara cepat. 5)Efisiensi tinggi 6)Mudah dikontrol 7)Dapat dioperasikan pada empat kuadran 8)Meminimalisir konsumsi energi dan untuk mengurangi arus starting. 9)Dapat mengatur daya yang keluar 10) Menghemat Tegangan sesuai kapasitas



3.3 MOTOR INDUKSI 3 FASA Motor tiga fasa adalah suatu motor AC yang menggunakan suplay tegangan tiga fasa. Dimana tegangan AC tiga fasa memiliki 4 hantaran dimana dari keempat hantaran tersebut memiliki tiga fasa yang diberi nama R, S, T, dan satu hantaran netral. Motor induksi 3 Fasa menggunakan Prinsip switch sesuai dengan frequency yang di gunakan sehingga terdapat pergantian medan magnet per satuan detik(s)



Berikut ini adalah komponen yang terdapat pada motor 3 Fasa:



22



Gambar 3.5 Sistem Motor 3 Fasa Sumber: https://www.scribd.com/doc/89983078/Teori-Dasar-Motor-Induksi-Tiga-Fasa



Bila torsi awal yang dihasilkan oleh gaya F pada rotor cukup besar untuk memikul torsi beban, maka rotor akan berputar searah dengan arah medan putar stator. Untuk membangkitkan tegangan induksi E2 agar tetap ada, maka diperlukan adanya perbedaan relatif antara kecepatan medan putar stator (ns) dengan kecepatan putar rotor(nr).



23



Perbedaan antara kecepatan nr dengan ns disebut dengan slip ( S ) yang dinyatakan dengan Persamaan S = ns-nr/ns (100%).



Jika ns = nr tegangan akan terinduksi dan arus tidak mengalir pada rotor, dengan demikian tidak ada torsi yang dapat dihasilkan. Torsi suatu motor akan timbul apabila ns> nr.



Dilihat dari cara kerjanya motor tiga phasa disebut juga dengan motor tak serempak atau asinkron. Motor Induksi 1 Fasa Berdasarkan karakteristik dari arus listrik yang mengalir, motor AC (Alternating Current,Arus Bolak-balik) terdiri dari 2 jenis, yaitu:1. Motor listrik AC / arus bolak-balik 1 fasa2. Motor listrik AC / arus bolakbalik 3 fasa.



Motor listrik AC 1 fasa, yang terdiri dari: 1. Motor Kapasitor 2. Motor Shaded Pole 3. Motor Universal



Prinsip Motor AC satu fasa berbeda cara kerjanya dengan motor AC tiga fasa, dimana pada motor AC tiga fasa untuk belitan statornya terdapat tiga belitan yang menghasilkan medan putar dan pada rotor sangkar terjadi induksi dan interaksi torsi yang menghasilkan putaran. Sedangkan pada motor satu fasa memiliki dua belitan stator, yaitu belitan fasa utama (belitan U1-U2) dan belitan fasa bantu (belitan Z1-Z2), Prinsip Medan Magnet Utama dan Medan magnet Bantu Motor Satu fasa.



Gambar 3.6 Lilitan Pada Motor 3 Fasa Sumber: https://www.scribd.com/doc/89983078/Teori-Dasar-Motor-Induksi-Tiga-Fasa



24



Belitan utama menggunakan penampang kawat tembaga lebih besar sehingga memiliki impedansi lebih kecil. Sedangkan belitan bantu dibuat dari tembaga berpenampang kecil dan jumlah belitannya lebih banyak, sehingga impedansinya lebih besar dibanding impedansi belitan utama. Grafik arus belitan bantu I dan arus belitan utama I utama berbeda fasa sebesar φ, hal ini disebabkan karena perbedaan besarnya impedansi kedua belitan tersebut. Perbedaan arus beda fasa ini menyebabkan arus total, merupakan penjumlahan vektor arus utama dan arus bantu. Medan magnet utama yang dihasilkan belitan utama juga berbeda fasa sebesar φ dengan medan magnet bantu.Gambar 2. grafik Gelombang arus medan bantu dan arus medan utama . Medan magnet pada Stator Motor satu fasa Belitan bantu Z1-Z2 pertama dialiri arus I bantu menghasilkan fluks magnet Φ tegak lurus,beberapa saat kemudian belitan utama U1-U2 dialiri arus utama I utama. yang bernilai positip.Hasilnya adalah medan magnet yang bergeser sebesar 45° dengan arah berlawanan jarum jam.Kejadian ini berlangsung terus sampai satu siklus sinusoida, sehingga menghasilkan medan magnet yang berputar pada belitan statornya.



Gambar 3.7 Rotor Sangkar Sinkron



Gambar 3.8 Rotor Sangkar Asinkron



Sumber: https://www.scribd.com/doc/89983078/Teori-Dasar-Motor-Induksi-Tiga-Fasa



25



Rotor motor satu fasa sama dengan rotor motor tiga fasa yaitu berbentuk batang-batang kawat yang ujungujungnya di hubung singkatkan dan menyerupai bentuk sangkar tupai, maka sering disebut rotor sangkar. Belitan rotor yang dipotong oleh medan putar stator, menghasilkan tegangan induksi, interaksi antara I utama dengan I bantu. 3.3.1. Hubungan Segitiga Hubungan segitiga terbentuk bila dilakukan penyatuan masing-masing ujung kumparan stator berbeda jenis dari 2 (dua) buah kumparan stator yang berlainan sedangkan masing-masing titik simpul dihubungkan dengan masing-masing fasa dari sumber tenaga listrik tiga fasa.



Gambar 3.9 Hubungan Segitiga



Keterangan: 1) U1 disatukan dengan W2 dan dihubungkan dengan fasa L1. 2) V1 disatukan dengan U2 dan dihubungkan dengan fasa L2. 3) W1 disatukan dengan V2 dan dihubungkan dengan fasa L3.



Pada struktur delta biasanya digunakan untuk motor-motor dengan arus besar. Dengan menggunakan struktur delta, start pada motor lebih cepat sehingga kestabilan pada putaran motor akan lebih cepat dicapai dibandingkan dengan struktur star, namun pada struktur delta dibutuhkan arus yang lebih besar daripada struktur star. Oleh karena itu, pada sebagian motor digunakan keduanya yaitu delta untuk mendapatkan kestabilan



26



motor yang cepat, kemudian star agar arus yang terpakai kecil. Jika suplay tegangan yang digunakan adalah 220/380 maka struktur akan dipakai untuk tegangan 220 volt.



3.3.2. Hubungan Bintang Hubungan bintang terbentuk bila dilakukan penyatuan masing-masing



ujung



kumparan stator sejenis dari ketiga kumparan stator sedangkan ketiga ujung lainnya dihubungkan dengan masing-masing fasa dari sumber tenaga listrik tiga fasa.



Gambar 3.10 Hubungan Bintang Keterangan : 1. U2, V2 dan W2 saling disatukan dan menjadi titik netral N. 2. U1 dihubungkan dengan fasa L1. 3. V1 dihubungkan dengan fasa L2. 4. W1 dihubungkan dengan fasa L3.



Struktur star memiliki kelebihan arusnya lebih kecil jika dibandingkan dengan delta. Namun pada struktur star, motor akan lebih lama untuk mencapai kestabilan. Oleh karena itu, star banyak digunakan pada sistem yang membutuhkan kestabilan dalam waktu yang relatif cepat. Jika suplay tegangan yang digunakan adalah 220/380 maka struktur star akan dipakai untuk tegangan 380 volt.



27



3.4



SISTEM PNEUMATIK Pneumatik adalah sebuah sistem penggerak yang menggunakan tekanan udara sebagai



tenaga penggeraknya. Cara kerja Pneumatik sama saja dengan hidrolik yang membedakannya hanyalah tenaga penggeraknya. Jika pneumatik menggunakan udara sebagai tenaga penggeraknya, dan sedangkan hidrolik menggunakan cairan oli sebagai tenaga penggeraknya. Dalam pneumatik tekanan udara inilah yang berfungsi untuk menggerakkan sebuah cylinder kerja. Cylinder kerja inilah yang nantinya mengubah tenaga/tekanan udara tersebut menjadi tenaga mekanik (gerakan maju mundur pada cylinder).



Gambar 3.11 Sistem Cylinder Hidrolic Sumber: http://trikueni-desain-sistem.blogspot.com/2013/08/apa-itu-pneumatik.html



Sistem pneumatik ini biasa diaplikasikan pada mesin – mesin industri. Dikarenakan kurangnya daya/kekuatan mekanik dari pneumatik. Maka pneumatik ini hanya bisa diaplikasikan pada mesin – mesin yang tidak terlalu membutuhkan tenaga mekanik yang kuat (mesin-mesin bertenaga ringan) dalam pengoperasiannya. Sedangkan untuk mesin-mesin yang membutuhkan tenaga mekanik yang kuat harus menggunakan sistem hidrolik. Berikut ini kelebihan dan kekurangan pada sistem pneumatik dan hidrolik:



28



3.4.1. Kelebihan pada sistem pneumatik: Berikut ini kelebihan menggunakan sistem pneumatic: 1) Ramah lingkungan / bersih (jika terjadi kebocoran dalam sistem perpipaan). 2) Udara sebagai tenaga penggerak memiliki jumlah yang tak terbatas 3) Lebih cepat dan responsif jika dibandingkan dengan hidrolik 4) Harganya yang murah



3.4.2. Kekurangan pada sistem pneumatik: Berikut ini adalah kekurangan menggunakan sistem pneumatic: 1) Daya mekanik yang dihasilkan kecil. 2) Membutuhkan perawatan yang lebih tinggi, karena udara sebagai penggeraknya.



3.4.3. Kelebihan pada sistem hidrolik: Berikut ini adalah kelebihan pada sistem hidrolik 1) Memiliki daya mekanik yang besar 2) Cylinder hidrolik lebih awet bila dibandingkan dengan cylinder pneumatik (air cylinder). 3) Oli sebagai tenaga penggeraknya tidak akan habis/berkurang bila tidak terjadi kebocoran. Sehingga hanya diperlukan investasi diawal.



3.4.4. Kekurangan pada sistem hidrolik: Berikut ini adalah kekurangan menggunakan sistem hidrolik 1) Tidak ramah lingkungan (jika terjadi kebocoran dalam sistem perpipaan). 2) Harga oli yang cukup mahal. 3) Kurang responsif bila dibandingkan dengan pneumatik.



29



3.5 Cara Kerja Sistem Pneumatic



Gambar 3.12 Rangkaian Sistem Pneumatic Sumber: http://trikueni-desain-sistem.blogspot.com/2013/08/apa-itu-pneumatik.html



Udara disedot oleh kompresor dan disimpan pada reservoir air ( tabung udara) hingga mencapai tekanan kira-kira sekitar 6 – 9 bar. Kenapa harus 6 – 9 bar?? Karena bila tekanan hanya dibawah 6 bar akan menurunkan daya mekanik dari cylinder kerja pneumatik dan sedangkan bila bertekanan diatas 9 bar akan berbahaya pada sistem perpipaan atau kompresor. Selanjutnya udara bertekanan itu disalurkan ke sirkuit dari pneumatik dengan pertama kali harus melewati air dryer (pengering udara) untuk menghilangkan kandungan air pada udara. Dan dilanjutkan menuju ke katup udara (shut up valve), regulator, selenoid valve dan menuju ke cylinder kerja. gerakan air cylinder ini tergantung dari selenoid. Bila selenoid valve menyalurkan udara bertekanan menuju ke inlet dari air cylinder maka piston akan bergerak maju sedangkan bila selenoid valve menyalurkan udara bertekanan menuju ke outlet dari air cylinder maka piston akan bergerak mundur. Jadi dari selenoid valve inilah penggunaan aplikasi pneumatik bisa juga di kombinasikan dengan elektrik, seperti PLC ataupun rangkaian kontrol listrik lainnya. Sehingga mempermudah dalam pengaplikasiannya.