BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 PLC (Programmable Logic Controller) Untuk mengendalikan suatu proses yang komplek, maka diperlukan suatu controller yang mampu mengatur setiap instruksi dengan cepat dan tepat, satu controller yang paling banyak dipakai oleh industri untuk mengatur sekian banyak proses adalah PLC Pengertian PLC PLC (Programmable Logic Controller) adalah sebuah alat yang digunakan untuk menggantikan rangkaian sederetan relai yang dijumpai pada sistem kontrol proses konvensional. PLC bekerja dengan cara mengamati masukan melalui sensorsensor terkait, kemudian melakukan proses dan melakukan tindakan sesuai yang dibutuhkan, yang berupa menghidupkan atau mematikan keluarannya. Semakin kompleks proses yang harus ditangani maka semakin penting penggunaan PLC untuk mempermudah proses-proses tersebut dan sekaligus menggantikan beberapa alat yang diperlukan Komponen-Komponen PLC Pada kenyataannya PLC merupakan suatu microcontroller yang digunakan untuk keperluan industri. 6

2 Gambar 2.1. Komponen-komponen PLC Terdapat 5 (lima) komponen utama yang menyusun suatu PLC. Semua komponen tersebut harus ada untuk dapat menjalankan suatu PLC secara normal. Komponen-komponen utama dari suatu PLC, sebagai berikut : 1. CPU (Central Processing Unit) CPU merupakan bagian utama dan merupakan otak dari PLC. CPU ini berfungsi untuk melakukan komunikasi dengan PC atau Console, interkoneksi pada setiap bagian PLC, mengeksekusi program-program, serta mengatur input dan ouput sistem 2. Memori Memori didalam PLC digunakan untuk menyimpan data dan program. Secara fisik, memori ini berupa chip dan untuk pengaman dipasang baterai back-up pada PLC. 3. Power Supply Unit power supply atau unit catu daya diperlukan untuk mengkonversi tegangan masukan AC (220Volt ~ 50Hz) atau DC (24Volt) sumber menjadi tegangan rendah DC 5 Volt yang dibutuhkan oleh prosesor dan rangkaianrangkaian data input/output interface. Kegagalan dalam pemenuhan 7

3 tegangan oleh power supply dapat menyebabkan kegagalan operasi PLC. Untuk itu diperlukan adanya baterai cadangan dengan tujuan agar pada saat voltage dropping, data yang ada pada memori tidak hilang. 4. Pemrograman Komponen pemrograman merupakan alat yang digunakan untuk berkomunikasi dengan PLC. Pemograman mempunyai beberapa fungsi yaitu : RUN, untuk mengendalikan suatu proses saat program dalam keadaan aktif. OFF, untuk mematikan PLC sehingga program dibuat tidak dapat dijalankan. MONITOR, untuk mengetahui keadaan suatu proses yang terjadi dalam PLC. PROGRAM, menyatakan suatu keadaan dimana programmer/ monitor digunakan untuk membuat suatu program. Kontrol PLC dapat diprogram melalui komputer, tetapi juga bisa diprogram melalui pemrograman manual, yang biasa disebut dengan console. Untuk keperluan ini dibutuhkan perangkat lunak, yang biasanya juga bergantung pada produk PLC-nya. 5. Input / Output Unit Input/output menyediakan antarmuka yang menghubungkan sistem dengan dunia luar, memungkinkan dibuatnya sambungansambungan/koneksi antara perangkat-perangkat input, semisal sensor, dengan perangkat output, semisal motor dan selenoida, melalui kanal-kanal 8

4 input/output. Demikian pula, melalui unit input/output, program-program dimasukkan dari panel program. Setiap titik input/output memiliki sebuah alamat unik yang dapat digunakan oleh CPU Operasional PLC Sebuah PLC bekerja secara kontinyu dengan cara men-scan program. Ibaratnya kita bisa mengilustrasikan satu siklus scan ini menjadi 3 langkah atau 3 tahap. Umumnya lebih dari 3 tetapi secara garis besarnya ada 3 tahap sebagaimana ditunjukkan pada gambar 2.2. PERIKSA STATUS MASUKAN EKSEKUSI PROGRAM UPDATE STATUS KELUARAN Gambar 2.2 Proses Scanning Program PLC Keterangan : 1. Periksa status masukan, pertama PLC akan melihat masing-masing status keluaran apakah kondisinya sedang ON atau OFF. Dengan kata lain, apakah sensor yang terhubungkan dengan masukan pertama ON, Bagaimana dengan yang terhubungkan pada masukan kedua. Demikian seterusnya, hasilnya disimpan ke dalam memori yang terkait dan akan digunakan pada langkah berikutnya. 2. Eksekusi Program, berikutnya PLC akan mengerjakan atau mengeksekusi program (diagram tangga) per instruksi. Mungkin program mengatakan bahwa masukan pertama statusnya ON maka keluaran pertama akan di- 9

5 kan. Karena PLC sudah tahu masukan yang mana saja yang ON dan OFF, dari langkah pertama dapat ditentukan apakah memang keluaran pertama harus di ON kan atau tidak (berdasarkan status masukan pertama). Kemudian akan menyimpan hasil eksekusi untuk digunakan kemudian. 3. Perbaharui status keluaran, akhirnya PLC akan memperbaharui atau mengupdate status keluaran. Pembaharuan keluaran ini bergantung pada masukan mana yang ON selama langkah 1 dan hasil dari eksekusi program di langkah 2. Jika masukan pertama statusnya ON, maka dari langkah 2, eksekusi program akan menghasilkan keluaran pertama, sehingga pada langkah 3 ini keluaran pertama akan diperbaharui menjadi ON. Setelah langkah 3, PLC akan mengulangi lagi scanning program-nya dari langkah 1, demikian seterusnya. Waktu scan didefinisikan sebagai waktu yang dibutuhkan untuk mengerjakan tiga langkah tersebut. Masing- masing langkah bisa memiliki waktu tanggap (response time) yang berbeda-beda, waktu total tanggap atau total response time adalah jumlah semua waktu tanggap masing-masing langkah Software Pemrograman Software pemrogramman merupakan suatu perangkat lunak yang digunakan untuk membuat dan mengisikan instruksi pada memori control suatu system komputer (PLC). Untuk melakukan pemrogramman PLC dan HMI menggunakan software yang telah disediakan pabrik pembuat/vendor PLC dan HMI. XG5000 merupakan software pemrogramman PLC dengan brand LS untuk seri XGB, XGK, XGI dan XGR.Software ini dapat melakukan pemrogramman dengan menggunakan bahasa diagram tangga (ladder diagram), SFC (Structure 10

6 Function Chart), Structure text dan function block. Atau dengan kata lain PLC deprogram dengan text dan pemrogramman berorientasi object PLC XGB Seperti yang telah diketahui PLC secara umum memiliki jenis dan keunggulan masing masing, PLC XGB merupakan sebuah PLC keluaran LS Industrial Systems yang memiliki banyak keunggulan seperti kecepatan eksekusi perintah hingga 0,028 u S/command. Gambar 2.3 PLC XGB XBC-DR32H PLC XGB memiliki modul input/output analog maupun digital, input/output berupa relay dan transistor : I. Dengan output Relay Merupakan jenis output yang sering dipakai, cara kerjanya adalah dengan memberikan pulsa pada relai apakah 0 atau 1. penggunaan dari relay ini sangat baik jika output yang aktif dengan delay waktu yang lama, tapi jika digunakan pada delay waktu yang pendek antara satu perioda, maka akan mengakibatkan relay akan cepat aus. II. Dengan Output Transistor Merupakan jenis output yang sering digunakan untuk mengatur instrusi yang mana delay waktu antara kondisi ON dan OFF memiliki delai yang 11

7 singkat. PLC dengan ouput transistor sering digunakan sebagai penghitung pulse pada suatu sistem. PLC XGB memiliki sistem bilangan sebagai berikut : Tabel 2.1 Tipe Data PLC XGB Sistem bilangan pada PLC XGB terdiri dari Bit, Byte, Word, Dword dan Lword. Pada table 2.2 dapat dilihat bahwa tipe data PLC XGB memiliki ukuran word. Besaran word data merupakan ukuran lebar data yang mampu ditampung oleh suatu tipe data. Tabel 2.2 Tipe Bilangan PLC XGB Maisng-masing device memiliki range yang berbeda. Contoh pada device P memiliki range dari P0-P127 ini artinya alamat awal dari P0 sampai dengan akhir P127, begitu juga device yang lain. 12

8 2.2 Layar Sentuh (Touch Screen) Touch panel atau Touch Screen panel adalah layar tampilan komputer yang sensitif terhadap sentuhan manusia, sehingga seseorang dapat berinteraksi dengan komputer dengan cara menyentuh gambar atau tulisan yang terpampang pada layar komputer Cara Kerja Layar Sentuh (Touch Screen) Sebuah layar Touch Screen yang paling sederhana terdiri dari tiga buah komponen utama dalam bekerja. Komponen tersebut adalah sebagai berikut: 1. Touch Sensor Gambar 2.4 Touch Sensor Touch sensor merupakan sebuah lapisan penerima input dari luar layar. Input dari Touch Screen adalah sebuah sentuhan, maka dari itu sensornya juga merupakan sensor sentuh. Biasanya sensor sentuh berupa sebuah panel terbuat dari kaca yang permukaannya sangat responsive jika disentuh. Touch sensor ini diletakkan di permukaan paling depan dari sebuah layar touch screen, dengan demikian area yang responsive terhadap sentuhan menutupi area pandang dari layar monitor. 13

9 2. Controller Gambar 2.5 Controller Controller merupakan sebuah perangkat yang digunakan untuk menghubungkan antara sensor dengan perangkat komputer yang akan memproses sentuhan-sentuhan tersebut. Ketika sensor-sensor merekam sebuah even sentuhan, maka data yang dimilikinya diteruskan kesebuah controller. 3. Software driver Merupakan sebuah aplikasi untuk memasukkan program ke dalam touch screen. Sehingga dengan nya touch screen bisa bekerja sesuai dengan perintah program tersebut. 2.3 Sensor THD (Temperature and Humidity) Masalah utama dalam teknik pengukuran, pengaturan dan pengendalian secara elektronik adalah mengubah besaran fisik menjadi besaran listrik yang proporsional. Besaran fisik yang diubah tersebut bisa berupa temperatur, gaya, kecepatan putaran, intensitas cahaya dan sebagainya. Alat yang melaksanakan hal ini secara umum disebut sensor. Termasuk dalam golongan ini adalah baik sensor yang sederhana maupun alat pemroses 14

10 sinyal elektronik yang terhubung sesudahnya (penguat, kompensasi suhu, linearisasi, dll). Gambar 2.6 Sensor THD (Temperature and Humidity) Dalam hal ini karakteristik yang dimiliki sensor THD (Temperature and Humidity) adalah : 1. Bekerja pada rating temperature sampai dengan 60 o C 2. Bekerja pada rating kelembaban 0.0 sampai dengan 99.9 % RH 3. Mempunyai tegangan kerja antara 1-5VDC 4. Tegangan input power supply 24VDC 5. Menggunakan komunikasi Modbus RTU serial RS Protocol Modbus Protocol modbus dibuat oleh perusahaan PLC bernama Modicon tahun 1979 dan sampai sekarang menjadi salah satu prtotocol komunikasi standar yg dipakai dalam Automatisasi pengelolaan Gedung, Proses Industri dll. 15

11 Jenis Modbus Gambar 2.7 Jaringan Protokol Modbus Beberapa variasi Modbus, antara lain: a. Modbus RTU - Merupakan varian Modbus yang ringkas dan digunakan pada komunikasi serial. Format RTU dilengkapi dengan mekanisme cyclic redundancy error (CRC) untuk memastikan keandalan data. Modbus RTU merupakan implementasi protokol Modbus yang paling umum digunakan. Setiap frame data dipisahkan dengan periode idle (silent). b. Modbus ASCII - Digunakan pada komunikasi serial dengan memanfaatkan karakter ASCII. Format ASCII menggunakan mekanisme longitudinal redundancy check (LRC). Setiap frame data Modbus ASCII diawali dengan titik dua (":") dan baris baru yang mengikuti (CR/LF). c. Modbus TCP/IP atau Modbus TCP - Merupakan varian Modbus yang digunakan pada jaringan TCP/IP. 16

12 Penyimpanan Data Pada Modbus Tabel 2.3 Penyimpanan data pada Modbus Keterangan : 1. Coil, Pada mulanya jenis data ini digunakan untuk mengaktifkan coil relay. Nilai jenis data ini ON atau OFF. Coil mempunyai panjang 16 bit, sehingga untuk mengaktifkan/on dengan cara memberi nilai FF00H dan 0000H untuk OFF. Data FF00 dan 00 disimpan di register sampai Input Digital, Input digital digunakan untuk mengetahui status relay apakah sedang ON atau OFF. Input relay bersifat read only bagi master dan hanya bisa dirubah oleh slave saja. Data tersebut disimpan di register sampai Input Register, Input Register digunakan untuk menyimpan data analog dengan range nilai Input register bersifat read only bagi master. Data ini disimpan di register nomor sampai Holding Register, Holding Register digunakan untuk menyimpan nilai dengan range Data ini mempunyai alamat register sampai

13 Tabel 2.4 Alamat Register dan Function Code Alamat register pada modbus dan function code yg digunakan untuk mengaksesnya Pengorganisasian data modbus Gambar dibawah ini memperlihatkan pengorganisasian data pada sebuah slave modbus yang masing masing mempunyai blok terpisah antara coil dan register. Gambar 2.8 Pengorganisasian Data 18

14 Gambar dibawah ini memperlihatkan pengorganisasian data pada sebuah slave modbus yang hanya mempunyai satu blok untuk coil dan register. Gambar2.9 Pengorganisasian Data Memory Frame Data Modbus Master atau slave berkomunikasi dgn cara mengirim frame permintaan dan frame respon. secara umum format frame Modbus sebagai berikut : Gambar 2.10 Frame Modbus Frame modbus terdiri dari : 1. Alamat slave Byte pertama sebagai Alamat slave terdiri dari 1 byte. alamat slave ditentukan hanya 1 ~ 247. alamat 0 digunakan master untuk ditujukan kepada semua slave. 19

15 2. Function Code Byte kedua berupa Function Code, perintah dari master yang harus dilakukan oleh slave berikut ini daftar kode perintah perintah tsb (function code) Tabel 2.5 Data Function Code Data Membaca menulis 1 data menulis banyak data no awal reg Coil FC01 FC05 FC input diskrit/digital FC Input register FC Holding Register FC03 FC06 FC FC15 maksudnya adalah function code 15 desimal atau 0F dlm hexa. Gambar 2.11 Register Map dan Function Code 20

16 3. Byte Data Jumlah Byte Data bervariasi tergantung jumlah data yg akan di tuliskan ke slave. Byte data berisi alamat register, jumlah data, dan data yg akan ditulis. alamat register akan di jelaskan kemudian. 4. Eror Check, CRC Dua byte terakhir adalah byte CRC, byte ini digunakan untuk mendeteksi jika ada kesalahan pada frame modbus Respon Modbus Exception Respon exeception adalah respon dari slave ketika terjadi keadaan tidak normal/error. Slave menerima query, tetapi Slave tidak dapat menangani perintah tersebut, Slave akan mengirimkan sebuah respon exception. Frame respon jika terjadi kesalahan berbeda dgn frame dalam keadaan normal. Gambar 2.12 Modbus Transaction Perbedaan frame modbus normal dan saat terjadi exception Gambar 2.13 Frame Modbus Saat Terjadi Exception 21

17 2.5 Komunikasi Serial RS-485 Standard RS-485 mendukung komunikasi data half-duplex, ini berarti bahwa untuk mengirimkan dan menerima data hanya menggunakan 2 jalur kabel. Spesifikasi dari standar ini mampu mendukung komunikasi data dari sejumlah perangkat dan juga mampu menyangga komunikasi data dalam jarak hingga 1200 meter. Sambungan dari tiap perangkat yang terhubung ke RS-485 dilakukan secara paralel, sehingga penyambungan maupun pelepasan perangkat dapat dilakukan tanpa mengganggu kerja seluruh jaringan. Untuk menyesuaikan impedansi kabel yang digunakan perlu dipasang resistor yang nilainya disesuaikan dengan karakteristik impedansi kabel (~ 120 Ohm). Topologi jaringan komunikasi data menggunakan RS-485 dapat dilihat pada gambar berikut : Gambar Topologi Pengkabelan RS485 RS485 atau EIA (Electronic Industries Association) RS485 adalah jaringan balanced line dan dengan sistem pengiriman data secara half-duplex. RS485 bisa digunakan sebagai jaringan transfer data dengan jarak maksimal 1,2 km. Tabel berikut adalah ringkasan spesifikasi dari protokol RS485: 22

18 Tabel 2.6.Parameter RS-485 Dalam jaringan RS485, master akan memulai pembicaraan dengan sebuah Query (pertanyaan) yang dialamatkan pada salah satu slave, master kemudian akan mendengarkan jawaban dari slave. Jika slave tidak merespon dalam waktu yang ditentukan, (diseting oleh kontrol software dalam master ), master akan memutus pembicaraan Cara Kerja Komunikasi RS485 Untuk menghubungkan instrumen pada jaringan RS485, harus menggunakan kabel khusus yang didisain untuk komunikasi RS485 sebagai contoh: Screened twisted pair cable, impedansi 120ohm, kapasitansi tidak lebih dari 18pf/ft. Spesifikasi kabel tersebut diperlukan bila ingin mendapatkan jarak yang optimal yaitu sampai dengan 1,2km. Bila hanya untuk percobaan dengan jarak pendek dibawah 10meter, bisa digunakan kabel apa saja. Semua koneksi sisi A harus digabungkan bersama dengan sebuah konduktor dari twisted pair cable, dan semua koneksi sisi B juga harus digabungkan menjadi satu dengan menggunakan satu konduktor yang lain dari twisted pair cable tersebut. Dan yang paling penting 23

19 untuk menghindari noise, EMI (Electro Magnetic Interference) dan surge, cable screen (serabut luar kabel) harus dihubungkan ke terminal Gnd. Sebagai contoh jenis kabel yang bisa digunakan adalah Belden 9841 (Single pair) atau 9842 (Two pair) dengan karakteristik impedansi sebesar 120ohm. Kabel tersebut sangat direkomendasikan. Karena koneksi RS485 bersifat multi-drop (party-line) maka pada ujung koneksi instrumen pada jaringan modbus harus diterminasi dengan resistor sebesar 120ohm seperempat watt atau yang lebih besar. Termination resistor biasanya sudah disediakan dan switchable bila anda membeli unit instrument pabrikan. Untuk pemilihan jumlah pair pada kabel harus disesuaikan dengan kebutuhan, misal anda ingin menggabungkan catudaya DC24Volt pada satu kabel dengan komunikasi data, maka anda bisa menggunakan Belden 9842 (Two pair) dan jika dalam satu kabel hanya diperuntukkan untuk komunikasi data, anda bisa menggunakan Belden 9841 (Single pair). Gambar 2.15 Koneksi RS-485 Dalam jaringan RS485 tidak boleh ada lebih dari dua kabel yang terhubung dalam satu terminal. Konfigurasi yang harus digunakan adalah Daisy Chain atau straight line atau jaringan satu arah antara master dan slave-nya. 24

20 Konfigurasi Star atau jaringan dengan Stubs (Tees) atau percabangan tidak direkomendasikan karena bisa mengakibatkan sistem tidak berjalan sesuai harapan (terjadi korupsi data). Gambar 2.16 Cara Menghubungkan RS-485 Berikut adalah datasheet dari kabel yang direkomendasikan untuk koneksi RS485: 1. Belden 9841 (Single twisted pair cable) dengan beldfoil dan braid shiled, impedansi 120 ohms, kapasitansi 12pf/ft, 24AWG, arus maksimal 2,1A/conductor. 2. Belden 9842 (Double twisted pair cable) dengan beldfoil dan brid shield, impedansi 120ohms, kapasitansi 12pf/ft, 24AWG, arus maksimal 2,1A/conductor. 3. Belden (Double twisted pair cable) dengan Plenum rated (Cable untuk dipasang di plenum space). dengan beldfoil dan braid shield, impedansi 120ohms, kapasitansi 12pf/ft, 24AWG, arus maksimal 2,1A/conductor. 25

21 2.6 Relay Relay adalah saklar (switch) elektrik yang bekerja berdasarkan medan magnet. Relay terdiri dari suatu lilitan dan switch mekanik. Switch mekanik akan bergerak jika ada arus listrik yang mengalir melalui lilitan. Besarnya gaya magnet ditetapkan oleh kuat medan yang ada dalam celah udara antara jangkar dengan inti magnet. Kuat medan magnet ini tergantung banyaknya lilitan dan kuat arus yang mengalir atau disebut dengan ampere lilitan. Kuat medan magnet juga ditetapkan oleh besarnya perlawanan magnet yang ada dalam sirkuit permanen, untuk memperbesar kuat medan magnet diperlukan rangkaian pemagnetan tertutup oleh inti besi. Susunan kontak pada relay adalah: a. Normally Open : Relay akan menutup bila dialiri arus listrik. b. Normally Close : Relay akan membuka bila dialiri arus listrik. c. Changeover : Relay ini memiliki kontak tengah yang akan melepaskan diri dan membuat kontak lainnya berhubungan. Gambar 2.17 Relay 2.7 Catu Daya (Power supply) Perangkat elektronika mestinya dicatu oleh suplai arus searah DC (direct current) yang stabil agar dapat bekerja dengan baik. Baterai atau accu adalah sumber catu daya DC yang paling baik. Namun untuk aplikasi yang membutuhkan catu daya lebih besar, sumber dari baterai tidak cukup. Sumber catu daya yang 26

22 besar adalah sumber bolak-balik AC (alternating current) dari pembangkit tenaga listrik. Untuk itu diperlukan suatu perangkat catu daya yang dapat mengubah arus AC menjadi DC. 1. Penyearah (Rectifier) dan Tapis (Filter) Agar tegangan penyearahan gelombang AC lebih rata dan menjadi tegangan DC maka dipasang filter kapasitor pada bagian output rangkaian penyearah seperti terlihat pada gambar berikut : Gambar 2.18 Penyearah Jembatan Dengan Filter Capasitor Rectifier jembatan menyerupai rectifier gelombang penuh sebab ia memproduksi tegangan keluaran gelombang penuh. Dioda-dioda D1 dan D2 menghantar di atas setengan periode positif dan D3 dan D4 menghantar di atas setengah periode negatif. Sebagai hasilnya arus beban rectifier mengalir selama diantara setengah periode. Fungsi kapasitor pada rangkaian diatas untuk menekan riple yang terjadi dari proses penyearahan gelombang AC. Setelah dipasang filter kapasitor maka output dari rangkaian penyearah gelombang penuh ini akan menjadi tegangan DC (Direct Current) yang dpat diformulasikan sebagai berikut : 27

23 2VMAX VDC = Kemudian untuk nilai riple tegangan yag ada dapat dirumuskan sebagai berikut : VRiple = I Load F.C 2. Voltage Regulator Rangkaian penyearah sudah cukup bagus jika tegangan ripple-nya kecil, namun ada masalah stabilitas. Jika tegangan PLN naik/turun, maka tegangan outputnya juga akan naik/turun. Seperti rangkaian penyearah di atas, jika arus semakin besar ternyata tegangan dc keluarnya juga ikut turun. Untuk beberapa aplikasi perubahan tegangan ini cukup mengganggu, sehingga diperlukan komponen aktif yang dapat meregulasi tegangan keluaran ini menjadi stabil. Regulator Voltage berfungsi sebagai filter tegangan agar sesuai dengan keinginan. Oleh karena itu biasanya dalam rangkaian power supply maka IC Regulator tegangan ini selalu dipakai untuk stabilnya outputan tegangan. Berikut susunan kaki IC regulator tersebut. 28

24 Gambar 2.19 IC Regulator Misalnya 7805 adalah regulator untuk mendapat tegangan +5 volt, 7812 regulator tegangan +12 volt dan seterusnya. Sedangkan seri 79XX misalnya adalah 7905 dan 7912 yang berturut-turut adalah regulator tegangan -5 dan -12 volt. Gambar 2.20 Regulator dengan IC 78XX / 79XX Hanya saja perlu diketahui supaya rangkaian regulator dengan IC tersebut bisa bekerja, tegangan input harus lebih besar dari tegangan output regulatornya. Biasanya perbedaan tegangan Vin terhadap Vout yang direkomendasikan ada di dalam datasheet komponen tersebut. Pemakaian heatshink (aluminium pendingin) dianjurkan jika komponen ini dipakai untuk men-catu arus yang besar. Di dalam datasheet, komponen seperti ini maksimum bisa dilewati arus mencapai 1 A. 29