8
BAB 2
LANDASAN TEORI
2.1 PLC (Programmable Logic Controller)
Sumber : PT OMRON Elektronik (2003), “PLC Basic Training Manual”.
Sebelum adanya Programmable Logic Controller (PLC), sudah banyak peralatan
kontrol sekuensial, semacam cam shaft dan drum. Ketika relay muncul, panel kontrol
dengan relay menjadi kontrol sekuens yang utama. Ketika transistor muncul, solid state
relay diterapkan pada bidang dimana elektromagnetik tidak cocok diterapkan seperti
untuk kontrol dengan kecepatan tinggi.
Sekarang sistem kontrol sudah meluas sampai ke keseluruhan pabrik dan sistem
kontrol total dikombinasikan dengan umpan balik, pemrosesan data dan sistem monitor
terpusat.
2.1.1 Komposisi PLC
Sumber : PT OMRON Elektronik (2003), “PLC Basic Training Manual”.
Komposisi PLC terdiri dari:
1. Komponen hardware PLC
o CPU
Central Processing Unit sebagai unit pemrosesan utama.
o Power Supply
Berfungsi sebagai sumber tegangan.
9
o Memory
Berfungsi sebagai penyimpan program dan data.
o Input
Berfungsi sebagai penerima sinyal dari peralatan input seperti sensor, switch, dan
sebagainya untuk diproses pada CPU.
o Output
Berfungsi sebagai pengirim sinyal hasil pemrosesan dalam CPU untuk dikirim ke
peralatan output seperti solenoid, motor, dan sebagainya.
o Programming Device
Alat pemrogram yang berfungsi untuk menuliskan dan memonitor program dalam
PLC seperti Programming Console dan komputer.
2. Komponen software PLC
Program PLC yang berbentuk Ladder Diagram atau Kode Mneumonic yang
dituliskan ke dalam PLC dengan menggunakan Programming Device.
Contoh ladder Logic pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 Ladder Logic, Sumber : Automating Manufacturing Sistems with PLCs.
10
2.1.2 Operasi PLC
Sumber : http://www.plcs.net/chapters/howworks4.htm
Sebuah PLC bekerja dengan cara menelusuri (scanning) program yang telah di-
masukkan sebelumnya. Siklus penelusuran biasanya lebih dari 3 tahap, tetapi difokus-
kan pada bagian yang penting saja. Bagian-bagian lainnya hanya memeriksa sistem dan
meng-update pencacah internal (updating internal counter) dan nilai timer. Berikut ini
adalah 3 tahap penting dari siklus penelusuran PLC seperti yang dapat dilihat pada
gambar 2.3.
Gambar 2. 2. 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 me-
nentukan kondisi setiap masukan tersebut apakah pada keadaan aktif atau non-aktif.
Dengan kata lain, apakah sensor yang terhubung dengan masukan pertama
11
aktif/tidak aktif, masukan kedua aktif/tidak aktif, dst. PLC akan menyimpan data
masukan tersebut ke memori untuk dapat digunakan pada langkah berikutnya.
2. Eksekusi program (execute program)
Pada langkah kedua, PLC akan mengeksekusi program yang tersimpan di da-
lam memori per instruksi. Misalkan program menginginkan jika masukan pertama
aktif, maka program tersebut harus mengaktifkan keluaran pertama. Dikarenakan
program yang ada telah mengetahui masukan-masukan mana saja yang aktif/tidak
aktif dari langkah sebelumnya, maka program tersebut akan menentukan apakah
keluaran pertama harus diaktifkan atau dimatikan 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 berdasarkan
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 diaktifkan 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.
12
2.1.3 Diagram Ladder
Sumber : http://www.delta.com.tw/products/plc/pdf/Manual%20Online/PLC-
A/chapter1.pdf
Pada sebuah PLC, diagram kontrol yang digunakan adalah diagram ladder. Dia-
gram ladder adalah sebuah bahasa diagram pengendali otomatis yang menggunakan
simbol-simbol. Pada awalnya diagram ladder hanya terdiri dari komponen dasar seperti
kontak A (NORMALLY OPEN), kontak (NORMALLY CLOSE), kumparan keluaran,
timer, pencacah, dan lain-lain. Selain itu ada juga perintah-perintah aritmatika yang
digunakan seperti penjumlahan, pengurangan, perkalian, dan pembagian. Simbol-
simbol diagram ladder dapat dilihat pada tabel 2.1.
Tabel 2. 1. Simbol-simbol diagram ladder
Normally Open LD
Normally Close LDI
Serial Normally Open AND
Paralel Normally Open OR
13
Paralel Normally Close ORI
Rising Edge Trigger Switch LDP
Falling Edge Trigger Switch LDF
Rising Edge Trigger In
Serial ANDP
Falling Edge Trigger In
Serial ANDF
Rising Edge Trigger In
Paralel ORP
Falling Edge Trigger In
Paralel ORF
Block In Serial ANB
Block In Paralel ORB
Output Command Of Coil OUT
14
Drive
Multiple Output
MPS
MRD
MPP
Step Ladder STL
Basic Command
Application
Command
Inverse Logic INV
Gambar 2. 3. Rangkaian Diagram Ladder
Pada gambar 2.8, keluaran X tidak akan aktif jika salah satu dari relay A atau C
tidak aktif. Dan keluaran Y akan aktif hanya jika relay A dan C dalam keadaan aktif.
Keterangan : A masukan/tombol start B Normally Close (NC) C Normally Open (NO) Y keluaran/relay X keluaran/relay
15
2.1.4 Statement List
Sumber : http://www.plcman.co.uk/stl/page2.html
Selain menggunakan diagram ladder, sebuah PLC juga dapat diprogram dengan
menggunakan instruksi yang umum dikenal dengan Instruction List ( IL ), Instruction
Statement ( IS ), atau Statement List ( STL ).
Gambar 2. 4. Diagram Ladder
Pada gambar 2.9, dapat dilihat bahwa untuk menghasilkan output Q = 10.0 ,
maka diperlukan input sebagai berikut :
10.0
10.1
Operasi AND diwakili dengan huruf ‘A’, operasi LOAD diwakili huruf ‘LD’dan
operasi EQUAL diwakili dengan ‘=’ (baca: sama dengan). Selain itu, operasi OR
biasanya juga diwakili dengan huruf ‘O’. Penggunaan huruf besar dan huruf kecil dalam
perlambangan tersebut umumnya tidak menjadi masalah.
16
Selain itu, gerbang pertama dari suatu diagram ladder dapat diwakili dengan hu-
ruf ‘LD’ yang berarti LOAD. Dan gerbang akhir yang merupakan keluaran dari sebuah
diagram ladder diwakili dengan huruf ‘OUT’. Untuk contoh kasus pada gambar 2.9,
pernyataan operasinya dapat juga ditulis seperti berikut ini.
LD 10.0
A 10.1
OUT Q10.0
Jika ingin meng-invers sebuah operasi, tambahkan saja statement ‘NOT’ pada
akhir sebuah statement. Contohnya dapat dilihat berikut ini dimana invers dilakukan
pada statement pertama (LOAD) menjadi ‘LD N’ (LOAD NOT).
LD N 10.0
A 10.1
OUT Q10.0
Pada umumnya, perangkat lunak yang digunakan untuk memprogram sebuah
PLC, dapat merubah bahasa pemrograman yang digunakan baik dari diagram ladder ke
statement list maupun sebaliknya. Namun perlu diingat, tidak semua diagram ladder
dapat dirubah menjadi statement list dan begitu juga sebaliknya.
17
2.1.5 Keuntungan PLC
Sumber : PT OMRON Elektronik (2003), “PLC Basic Training Manual”.
Keuntungan PLC dalam sistem otomatisasi diantaranya:
1. Implementasi proyek lebih singkat
Didalam PLC menyediakan banyak relay dan gate, sehingga mudah untuk
implementasinya karena tidak perlu membuat rangkaian konvensional lagi.
2. Modifikasi lebih mudah tanpa tambahan biaya
Untuk penambahan atau perubahan fungsi baru tidak diperlukan biaya tambahan
lagi.
3. Biaya proyek dapat dikalkulasi secara tepat
Biaya dapat dikalkulasi dengan tepat karena PLC dapat mengerjakan banyak fungsi
yang seharusnya dikerjakan oleh banyak controller sehingga tidak perlu
mengeluarkan tambahan biaya untuk mengcover jika diperlukan tambahan controller
baru.
4. Training lebih cepat
Trainning lebih cepat karena bahasa yang digunakan dalam PLC relatif lebih mudah
dipahami oleh teknisi dibandingkan dengan dengan mesin yang biasa digunakan
untuk mengisi program dalam controller.
5. Desain dapat diubah dengan mudah melalui software
Perubahan dan penambahan spesifikasi dapat dilakukan ulang melalui software.
6. Rentang besar untuk kontrol aplikasi
18
PLC dapat melakukan banyak control, seperti :
o Kontrol sekuens yang mempunnyai fungsi :
- Timer / Counter
- Pengganti logic kontrol relay konvensional
- Pengganti kontrol PCB card
- Kontrol mesin Auto / Semi-Auto / Manual dan proses
o Kontrol kompleks yang mempunyai fungsi :
- Operasi Aritmatik
- Penanganan informasi
- Kontrol servo motor
- Kontrol stepper motor
o Kontrol supervisor yang mempunyai fungsi :
- Proses Monitoring dan Alarm
- Diagnosa dan monitoring kesalahan
- Antarmuka dengan komputer
7. Perawatan mudah
Indikator input dan output mempercepat dan mempermudah proses Troubleshooting.
8. Kehandalan tinggi
PLC mempunyai kehandalan tinggi dibanding sistem konvensional karena
disamping PLC lebih tahan lama, PLC juga mempunyai efektifitas kerja yang tinggi
dengan selalu menghasilkan output yang tepat dan tetap.
9. Mampu bekerja pada lingkungan yang sulit
Beroperasi secara normal dalam kondisi temperatur, kelembapan, fluktuasi tegangan,
dan noise yang berat.
19
2.1.6 Software Pemrograman
Sumber : PT OMRON Elektronik (2003), “PLC Basic Training Manual”.
Pemrograman PLC adalah penulisan perintah-perintah yang harus dilakukan oleh
PLC. Pemrograman PLC dapat digunakan menggunakan berbagai macam alat. Selain
menggunakan Programming Console, pemrograman PLC saat ini juga banyak dilakukan
dengan menggunakan PC (Personal Computer) yang dilengkapi dengan software
pemrograman.
Software - software yang digunakan dalam pemrograman PLC biasanya terus
berkembang sesuai dengan perkembangan hardware PLC. Mulai yang bekerja dengan
sistem operasi DOS sampai Windows. Untuk setiap merek PLC memiliki software
pemrograman tersendiri. PLC OMRON memiliki software pemrograman PLC tersendiri
seperti LSS, SSS, syswin sampai software terbaru CX-Programmer.
2.1.7 Komunikasi data antara komputer dengan PLC
Sumber : PT OMRON Elektronik (2001),” CPM1/CPM1A/CPM2A/CPM2C/SRM1(-V2)
Programmable Controllers Programming Manual”
PROGRAM READ – RP
Perintah ini berfungsi untuk membaca atau mengambil isi program PLC ke
komputer. Format perintah dan tanggapan dapat dilihat pada gambar 2.2.
20
Gambar 2.5 Format Program Read.
Tanggapan :
Program tersebut dibaca dari keseluruhan program area
Catatan: Hanya perintah ABORT(XZ) yang dapat digunakan untuk menghentikan
operasi yang sedang berjalan.
PROGRAM WRITE – WP
Perintah ini digunakan untuk mengirim program ke PLC. Penulisa program
hanya dapat dilakukan jika, hanya jika status write pada kondisi mode program serta
tidak ada kesalahan pada PLC. Program lama akan hilang bila dimasukkan program
baru. Format perintah dan tanggapan dapat dilihat pada gambar 2.3.
21
Gambar 2.6 Format Program Write.
STATUS WRITE – SC
Penulisan status digunakan untuk mengubah mode operasi sesuai dengan
masukan informasi ke dalam mode data, dapat dilihat pada gambar 2.4.
Gambar 2.7 Format Status Write.
FCS (Frame Check Sequence)
Ketika suatu bingkai dikirimkan, suatu FCS ditempatkan tepat sebelum delimiter
atau terminator yang digunakan untuk memeriksa kesalahan data telah dihasilkan. FCS
adalah 8-bit data yang diubah menjadi dua karakter ASCII. 8-Bit data itu adalah hasil
dari suatu perhitungan XOR nilai bit dari ASCII data paling awal sampai data tepat
22
sebelum FCS. Perhitungan FCS akan dilakukan setiap kali suatu bingkai diterima dan
mengecek hasil tanggapan terhadap FCS yang digunakan untuk melihat kemungkinan
kesalahan data yang dibuat.
Gambar 2.8 Format Perhitungan FCS.
Gambar 2.9 Cara Perhitungan FCS.
2.2. Serial Port
Sumber : http://www.camiresearch.com/Data_Com_Basics/RS232_standard.html dan
http://www.arcelect.com/rs232.htm.
RS232 adalah standard komunikasi serial antar periperal-periperal. Contoh
paling sering dipakai adalah antara komputer dengan modem, atau komputer dengan
23
komputer. Standar ini menggunakan beberapa piranti dalam implementasinya. Paling
umum yang dipakai adalah plug DB9 atau DB25. Untuk RS232 dengan DB9, biasanya
dipakai untuk serial port pada komputer pribadi. Dipakai untuk port mouse dan modem.
Tabel 2.2 Fungsi pin-pin DB9 standar RS232.
2.2 Motor Stepper
Sumber : Al-Himaone, http://www.ilmu.8k.com/pengetahuan/stepper.htm. ILMU Web
Site Himaone Center
Motor stepper adalah perangkat elektromekanis yang bekerja dengan mengubah pulsa
elektronis menjadi gerakan mekanis diskrit. Motor stepper bergerak berdasarkan urutan
pulsa yang diberikan kepada motor. Karena itu, untuk menggerakkan motor stepper
diperlukan pengendali motor stepper yang membangkitkan pulsa-pulsa periodik.
Penggunaan motor stepper memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan
penggunaan motor DC biasa.
Keunggulannya antara lain adalah :
24
o Sudut rotasi motor proporsional dengan pulsa masukan sehingga lebih mudah diatur.
o Motor dapat langsung memberikan torsi penuh pada saat mulai bergerak
o Posisi dan pergerakan repetisinya dapat ditentukan secara presisi
o Memiliki respon yang sangat baik terhadap mulai, stop dan berbalik (perputaran)
o Sangat realibel karena tidak adanya sikat yang bersentuhan dengan rotor seperti pada
motor DC
o Dapat menghasilkan perputaran yang lambat sehingga beban dapat dikopel langsung
ke porosnya
o Frekuensi perputaran dapat ditentukan secara bebas dan mudah pada range yang
luas.
Pada dasarnya terdapat 3 tipe motor stepper yaitu:
1. Motor stepper tipe Variable reluctance (VR)
Motor stepper jenis ini telah lama ada dan merupakan jenis motor yang
secara struktural paling mudah untuk dipahami. Motor ini terdiri atas sebuah
rotor besi lunak dengan beberapa gerigi dan sebuah lilitan stator. Ketika
lilitan stator diberi energi dengan arus DC, kutub-kutubnya menjadi
termagnetasi. Perputaran terjadi ketika gigi-gigi rotor tertarik oleh kutub-
kutub stator. Berikut ini adalah penampang melintang dari motor stepper tipe
variable reluctance (VR):
25
Gambar 2.10. Penampang melintang dari motor stepper tipe (VR)
2. Motor stepper tipe Permanent Magnet (PM)
Motor stepper jenis ini memiliki rotor yang berbentuk seperti kaleng bundar
(tin can) yang terdiri atas lapisan magnet permanen yang diselang-seling
dengan kutub yang berlawanan (perhatikan gambar 2.11). Dengan adanya
magnet permanen, maka intensitas fluks magnet dalam motor ini akan
meningkat sehingga dapat menghasilkan torsi yang lebih besar. Motor jenis
ini biasanya memiliki resolusi langkah (step) yang rendah yaitu antara 7,50
hingga 150 per langkah atau 48 hingga 24 langkah setiap putarannya. Berikut
ini adalah ilustrasi sederhana dari motor stepper tipe permanent magnet:
26
Gambar 2.11. Ilustrasi sederhana dari motor stepper tipe (PM)
3. Motor stepper tipe Hybrid (HB)
Motor stepper tipe hibrid memiliki struktur yang merupakan kombinasi dari
kedua tipe motor stepper sebelumnya. Motor stepper tipe hibrid memiliki
gigi-gigi seperti pada motor tipe VR dan juga memiliki magnet permanen
yang tersusun secara aksial pada batang porosnya seperti motor tipe PM.
Motor tipe ini paling banyak digunkan dalam berbagai aplikasi karena kinerja
lebih baik. Motor tipe hibrid dapat menghasilkan resolusi langkah yang
tinggi yaitu antara 3,60 hingga 0,90 per langkah atau 100-400 langkah setiap
putarannya. Berikut ini adalah penampang melintang dari motor stepper tipe
hibrid:
27
Gambar 2.12. Penampang melintang dari motor stepper tipe hibrid
Berdasarkan metode perancangan rangkain pengendalinya, motor stepper dapat dibagi
menjadi jenis unipolar dan bipolar. Rangkaian pengendali motor stepper unipolar lebih
mudah dirancang karena hanya memerlukan satu switch / transistor setiap lilitannya.
Untuk menjalankan dan menghentikan motor ini cukup dengan menerapkan pulsa
digital yang hanya terdiri atas tegangan positif dan nol (ground) pada salah satu terminal
lilitan (wound) motor sementara terminal lainnya dicatu dengan tegangan positif konstan
(VM) pada bagian tengah (center tap) dari lilitan (perhatikan gambar 2.12).
28
Gambar 2.13. Motor stepper dengan lilitan unipolar
Untuk motor stepper dengan lilitan bipolar, diperlukan sinyal pulsa yang berubah-ubah
dari positif ke negatif dan sebaliknya. Jadi pada setiap terminal lilitan (A & B) harus
dihubungkan dengan sinyal yang mengayun dari positif ke negatif dan sebaliknya
(perhatikan gambar 2.13). Karena itu dibutuhkan rangkaian pengendali yang agak lebih
kompleks daripada rangkaian pengendali untuk motor unipolar. Motor stepper bipolar
memiliki keunggulan dibandingkan dengan motor stepper unipolar dalam hal torsi yang
lebih besar untuk ukuran yang sama.
29
Gambar 2.14. Motor stepper dengan lilitan bipolar
Sumber : Industrial circuits application note, “Stepper Motor Basic”, motorbas.pdf,
http://users.pandora.be/educypedia/electronics/motorstep.htm.
Stepping mode :
o Wave drive
o Full Step Drive
o Half Step Drive
Gambar 2.15 Excitation Sequence
30
Sumber : http://www.sanyodenki.co.jp/product/newstep/step_e.htm#sups.
Motor stepper yang dipakai adalah 03-548-0250 2k945 3ohm, 1,8 Deg/Step
dengan dimensi 4,1 x 4,1 Cm. Stepper motor tersebut dibuat oleh Sanyo Denki. Motor
ini mempunyai 5 kabel yaitu coklat, hitam, oranye, kuning dan merah dimana merah
sebagai common power.
Gambar 2.16 Motor stepper.
Sumber: Wirz Electronics (1998), http://www.wirz.com/stepper/
Terdapat tiga tipe Pergerakan yaitu Full Stepping, Half Stepping, dan Micro Stepping.
Bipolar Full Step:
Gambar 2.17 Bipolar full Step
Unipolar Full Step:
Gambar 2.18 Unipolar full Step
31
Bipolar Half Step:
Gambar 2.19 Bipolar Half Step
Unipolar Half Step:
Gambar 2.20 Unipolar Half Step