Modul Input/Output PLC

Modul input yang dipasangkan pada PLC berfungsi sebagai antarmuka (interface), yaitu bagian yang menjembatani antara besaran fisik yang diukur (panas, tekanan, kuat cahaya, suara, dan sebagainya) dengan prosesor PLC. Modul output yang dipasangkan pada PLC berfungsi sebagai antarmuka antara prosesor PLC dengan aktuator output (mesin, lampu, motor, dan sebagainya). 

Pengetahuan tentang prinsip kerja dan cara pengawatan (wiring) komponen-komponen tersebut pada PLC sangat diperlukan, agar tidak melakukan kesalahan pada saat mengoperasikan dan melakukan pelacakan kerusakan atau kegagalan sistem yang menggunakan komponen-komponen tersebut. 

Saklar-saklar industri

1. Saklar manual
   Saklar manual yang dipasang pada input PLC berfungsi sebagai penyambung (ON) atau pemutus arus (Off), dimana cara mengo-perasikannya ialah dengan memindahkan tuas saklar secara mekanis. Ukuran, bentuk, dan cara pemasangannya sangat bervariasi. Saklar yang digunakan sebagai komponen input PLC biasanya berjenis: Toggle, Push Button, Selektor, dan Push wheel.
   • Saklar toggle: Pole adalah konduktor internal dalam saklar yang dioperasikan dengan cara menggerakkannya secara mekanis. Saklar yang digunakan pada PLC kebanyakan mempunyai satu hingga dua pole.
     
     
     Contoh 11-1: Konfigurasi saklar manakah yang harus dipilih untuk mengontrol sebuah motor startor yang memerlukan catu daya 220 VAC dan dua buah lampu indikator 28 VDC. Lampu merah akan menyala, jika motor tidak mendapatkan catu daya dan sebaliknya, lampu hijau akan menyala jika motor mendapat catu daya.
     Solusi: Karena dalam waktu yang bersamaan harus ada satu lampu yang menyala, maka dilipih saklar Double Pole Double Throw (DPDT), seperti pada Gambar 11.14.
     
     
     
     
     
     
   • Saklar push button (pb): Pada umumnya saklar push button adalah tipe saklar NO (Normally Open) yang hanya kontak sesaat saja ketika pertama kali ditekan. Sedangkan untuk mengembalikan ke kondisi NO lagi, maka perlu ditekan sekali lagi.
     
     
     Terdapat 4 konfigurasi saklar push button: tanpa-pengunci (no guard), pengunci–penuh (full guard), extended guard, dan mushroom button.
   • Saklar pemilih (selector switch (disngkat SS)): Saklar jenis ini pada umumnya tersedia dua, tiga, atau empat pilihan posisi, dengan berbagai tipe knop, seperti ditunjukkan pada Gambar 12-16: (Saklar Pemilih (Selector Switch))
     
     
     
2. Saklar mekanik
   Saklar mekanik akan ON atau OFF secara otomatis oleh sebuah proses perubahan parameter, misalnya: posisi, tekanan, atau temperatur. Saklar akan On atau Off, jika set titik proses yang ditentukan telah tercapai.
   Terdapat beberapa tipe saklar mekanik, antara lain: Limit Switch, Flow Switch, Level Switch, Pressure Switch, dan Temperatur Switch.
   • Limit switch (ls): Limit switch termasuk saklar yang banyak digunakan di industri. Pada dasarnya limit switch bekerja berdasarkan sirip saklar yang memutar tuas karena mendapat tekanan plunger atau tripping sirip wobbler.
     
     
     Konfigurasi yang ada dipasaran adalah: (a) Sirip roller yang bisa diatur, (b) plunger, (c) Sirip roller standar, (d) sirip wobbler, (e) sirip rod yang bisa diatur.
   • Flow switch (fl): Saklar ini digunakan untuk mendeteksi perubahan aliran cairan atau gas di dalam pipa, tersedia untuk berbagai viskositas. Skema dan simbol dapat dilihat pada Gambar 12- 18.
     
     
     
   • Level switch atau float switch (fs): Saklar level atau float switch, merupakan saklar diskret yang digunakan untuk mengontrol level permukaan cairan di dalam tangki. Posisi level cairan dalam tangki digunakan untuk men-trigger perubahan kontak saklar. Kontak akan tersambung dan terputus dengan cepat membentuk histerisis.
     
     
     Histerisis merupakan pemisah antara titik aktivasi dengan titik deaktivasi saklar. Histerisis digunakan untuk mempertahankan saklar agar tetap pada kondisi ON ketika terjadi kejutan, goncangan, atau perubahan level permukaan cairan, hingga saklar mencapai titik de-aktivasinya.
     
     FS tersedia dua konfigurasi, yaitu: open tank (Gambar 11.19 a dan c) dan closed tank (Gambar 11.19 b). Open tank digunakan untuk tanki terbuka, sehingga terbuka juga terhadap tekanan atmosfir. Sedangkan closed tank digunakan untuk tanki tertutup dan bertekanan.
   • Saklar tekanan (pressure switch): Pressure switch merupakan saklar diskrete yang kerjanya tergantung dari tekanan pada perangkat saklar. Tekanan tersebut berasal dari air, udara, atau cairan lainnya, misalnya: oli.
     
     
     Terdapat dua macam Pressure Switch: absolut (trigger terjadi pada tekanan tertentu), dan konfigurasi diferensial (trigger terjadi karena perbedaan tekanan).
   • Saklar temperatur (temperatue switches): Secara fisik saklar ini terdiri dari dua komponen, yaitu: bagian yang bergerak/bergeser (digerakkan oleh tekanan), dan bagian kontak. Bagian yang bergerak dapat berupa diafragma atau piston. Kontak elektrik biasanya terhubung pada bagian yang bergerak, sehingga jika terjadi pergeseran akan menyebabkan perubahan kondisi (On ke Off atau sebaliknya).
     
     
     Saklar diskret temperatur biasanya disebut Thermostat, bekerja berdasarkan perubahan temperatur. Perubahan kontak elektrik di-trigger (dipicu) oleh pemuaian cairan yang ada pada chamber yang tertutup (sealed chmber). Chamber ini terdiri dari tabung kapiler dan silinder yang terbuat dari stainless steel.
     
     Cairan di dalam chamber mempunyai koefisiensi temperatur yang tinggi, sehingga jika silinder memanas, cairan akan memuai dan menimbulkan tekanan pada seluruh lapisan penutup chamber. Tekanan ini menyebabkan kontak berubah status.

Sensor-sensor industri

Dalam sebuah sistem otomasi di industri, sensor merupakan alat pengindra seperti mata telinga, hidung, dll. Perangkat-perangkat pengindra dapat dikategorikan menjadi dua, yaitu: 
Perangkat Kontak: Secara fisik menyentuh parameter yang diukur, dan 
Perangkat non-kontak: Secara fisik tidak menyentuh parameter yang diukur. 

1. Proximity Sensor:
   Merupakan Sensor non-kontak, biasa digunakan untuk otomasi proses produksi dalam sistem manufaktur. Terdapat dua macam Proximity Sensor:
   a) Proximity Sensor Induktif, dan
   b) Proximity Sensor kapasitif.
   • Proximity Sensor Induktif: Sensor ini bekerja mengikuti prinsip kerja induktor dan mendeteksi ada atau tidaknya logam, jika logam-logam tesebut berada pada pengaruh medan magnetik yang ditimbulkan oleh koil yang ada pada sensor.
     
     
     Saat bekerja, sensor hanya memerlukan sedikit bahan yang dapat mengalirkan arus.
     
     
     Jika target bergerak memasuki medan frekuensi tinggi, arus Eddy masuk ke bahan target, dan terjadi transfer energi pada target yang mengakibatkan amplitudo osilator drop/turun. Turunnya amplitudo osilator akan dideteksi oleh detektor, sehingga menghasilkan output.
     
     
     Aplikasi Proximity Sensor Induktif dapat dijumpai pada alat pendeteksi logam untuk benda di dalam tas atau di dalam kemasan tertutup lainnya (dus, kontainer, paket, dsb), pendeteksi tutup botol (yang terbuat dari logam) pada pabrik minuman kemasan botol.
   • Proximity sensor kapasitif: Sensor ini bekerja mengikuti prinsip kerja kapasitansi dan mendeteksi ada atau tidak adanya bagian dari obyek jika logam-logam tersebut berada pada pengaruh medan magnetik yang ditimbulkan oleh lempeng-lempeng kapasitor yang ada pada sensor.
     
     
     Nilai kapasitif sensor ditentukan oleh ukuran plat-plat pembatas, jarak antar plat, dan nilai dielektrik antar plat.
     
     
     Mengingat sifat kapasitor ini, maka sensor kapasitif dapat digunakan untuk mendeteksi ada atau tidaknya benda, baik benda diam maupun bergerak, baik logam maupun non-logam yang mempunyai dielektrik lebih besar dari 1,2. Pada Gambar 11.25: Blok Diagram Proximity Sensor Kapasitif, target berfungsi sebagai plat ke-2.
     
     Plat-1 dan Plat-2 dihubungkan oleh elektrostatik yang dibangkitkan oleh sensor. Jika Target bergerak, maka jarak antara kedua plat akan berubah, sehingga nilai kapasitifnya juga berubah. Proximity Sensor Kapasitif banyak digunakan di industri-industri kemasan. Misalnya: digunakan untuk memeriksa produk yang ada di dalam kontainer, aplikasi lain ialah untuk medeteksi level cairan di dalam tangki, dengan memanfaatkan sifat dielektriknya.
   • Proximity Sensor Ultrasonik: Proximity Sensor Ultrasonik bekerja berdasarkan gelombang suara yang dipantulkan oleh obyek yang menjadi target, dengan cara mengukur waktu yang diperlukan gelombang suara tersebut kembali ke sumber suara (sensor).
     
     
     Sebanding dengan jarak atau tinggi target. Kinerja terbaik akan didapat dalam kondisi:
     • Target adalah benda padat yang memiliki permukaan datar, rata atau halus, dengan suhu 1000C atau kurang.
     • Obyek berada di dalam wilayah kerucut pulsa ultrasonik ≤ 4 derajat dari sumbu, dan permukaan pantul berada di posisi penerima gelombang pantul.
   • Sensor foto-elektrik: Digunakan untuk mendeteksi obyek tanpa menyentuh obyek. Bagian penting sensor ini adalah: Sumber cahaya dan penerima cahaya (receiver). Sensor Foto-elektrik bekerja berdasarkan ada atau tidaknya cahaya yang diterima oleh bagiann penerima (receiver). Cahaya yang ditrima receiver dapat berasal dari sumber cahaya atau pantulan benda yang menjadi obyek pengukuran dan dapat bekerja dari jarak 5 mm hingga 300 m lebih.
     Bagian-bagian sensor foto-elektrik:
     • Sumber cahaya: pembangkit cahaya yang dapat dilihat (visible light)
     • Detektor Cahaya: mendeteksi cahaya yang jatuh padanya, lalu mengubahnya menjadi arus yang besarnya sebanding dengan kuat cahaya tersebut.
     • Lensa: untuk memfokuskan cahaya dan menaikkan range
     • Rangkaian Logika: memodulasi sumber cahaya, menguatkan sinyal dari detektor cahaya, memutuskan apakah output sensor berubah atau tidak.
     • Perangkat Output: dapat berupa transistor, FET, MOSFET, TRIAC atau relay elektro-mekanis.
   • Moda Operasi sensor cahaya:
     • Pancaran sinar: sumber dan penerima cahaya-nya terpisah (tidak satu kemasan/thrrough beam mode).
     • Refleksi: sumber dan penerima cahaya-nya satu kemasan.
     • Refleks terpolarisasi: terdapat filter di-depan sumber cahaya, yang berbeda fase 90^o terhadap penerima.
     • Sensor Terdifusi atau proximity foto: mempunyai sumber dan penerima dalam satu kemasan, tetapi menggunakan komponen yang dapat me-refleksikan cahaya ke penerima.
   Salah astu contoh aplikasi sensor foto-elektrik adalah pada mesin pemotong otomatis. Sensor akan mendeteksi pinggiran/ujung bahan untuk mengaktifkan pemotong.

Aktuator elektro-magnetik

1. Solenoid DC: Solenoid DC pada dasarnya terdiri dari koil lilitan kawat dan plunger inti besi.
   
   
   Saat S terbuka, inti besi didorong keatas. Saat S tertutup, arus mengalir pada lilitan, sehingga timbul elektromagnetik dengan arah fluks magnet dari atas ke bawah. Medan magnet akan menarik inti besi ke bawah karena gaya tariknya lebih besar daripada gaya pegas. Besarnya gaya gerak sebanding dengan selisih antara posisi inti saat S terbuka dan posisi inti saat S tertutup.
2. Solenoid AC: Seperti pada solenoid DC, pada solenoid AC terdapat satu komponen lagi yaitu frame.
   
   
   Saat koil mendapat daya (pengisian energi), armatur akan tertarik pegas hingga menyentuh frame. Saat seperti ini, terjadilah aliran fluks magnetik seperti pada Gambar 12-35: Solenoid AC.
3. Solenoid Valve: Merupakan perangkat elektromagnetik, yang digunakan untuk mengontrol aliran udara atau zat cair (air, oli cair, gas, pendingin).
   
   
   Prinsip kerjanya sama dengan solenoid lain (DC atau AC). Pegas yang terbungkus plunger akan menekan Pilot valve dan menahan-nya di posisi itu, sehingga tidak ada aliran zat cair pada valve body, dan saat seperti ini, solenoid dalam kondisi melepas energi. Ketika koil diisi energi, timbul medan magnet, yang akan menggerakkan plunger, pilot valve, dan piston, sehingga memungkinkan terjadi aliran zat cair melalui valve body.
4. Relay Kontrol: Relay ini merupakan gabungan antara eketromagnetik dan solenoid. Fungsi utama relay ini ialah untuk mengontrol arus/tegangan yang besar hanya dengan sinyal listrik yang kecil, yaitu sebagai isolasi daya antara obyek dan pengontrol.
   
   
   PERHATIAN!
   Hal yang perlu diperhatikan dalam memilih relay:
   • Rating Kontak:
     a) Rate tegangan, adalah tegangan operasi yang di-anjurkan untuk koil. Jika terlalu rendah, relay tidak bekerja, dan jika terlalu tinggi relay terhubung singkat.
     b) Rate arus, arus maksimum sebelum kontak rusak (meleleh atau terbakar)
   • Konfigurasi Kontak:
     a) Normally Open (NO): Relay terbuka jika tidak bekerja,
     b) Normally Closed (NC): relay tertutup jika tidak bekerja.
   • Kontak Holding atau seal-in contact: ialah metode untuk mempertahankan aliran arus sesaat setelah saklar ditekan atau dilepaskan. Dalam diagram, ladder digambarkan paralel dengan saklar yang dioperasikan.
5. Relay Latching: Relay jenis ini akan tetap ON dan atau OFF walaupun catu daya telah dicabut dari koil.
6. Kontaktor: Kontaktor adalah relay yang dirancang untuk saklar arus besar dari tegangan sumber yang besar pula.
   
   
   Kontaktor mempunyai multi-kontak, sehingga saluran dari sumber fasa tunggal atau sumber fasa-3 dapat dihubungkan ke saklar ini.
   
   
   Kontaktor biasanya mempunyai beberapa saklar tambahan yang disebut auxiliary contact, yaitu untuk menghubungkan kontaktor dengan tegangan utama. Selain itu, kontaktor juga mempunyai sistem arc-quenching untuk menekan arc yang terbentuk, jika kontak membawa arus induktif terbuka.
7. Motor Starter: Pada umumnya sebuah motor starter terdiri dari blok overload atau unit termal, yaitu untuk proteksi arus lebih pada motor yang dilengkapi dengan kontak termal beban lebih. Kontak akan terbuka saat mendeteksi beban lebih.
   

Komponen-komponen output visual dan audio

Kenyataannya, PLC juga digunakan untuk meng-on-kan berbagai perangkat audio dan atau visual, seperti lampu pilot, horn atau alarm. 

Tip pelacakan kerusakan perangkat input/output

1. Melacak Kerusakan Saklar
   Semua saklar mempunyai masalah umum yang sama, yang dibagi menjadi dua grup:
   1. Masalah operator (handle, push button, atau yaitu: masalah mekanis)
   2. Masalah kontak (selalu terbuka atau selalu tertutup)
   Jika masalah sistem di-tengarai dari saklar, lakukan prosedur seperti berikut:
   • Jika kontak seharusnya terbuka: ukur tegagan yang melalui kontak. Jika besarnya tegangan terukur sama dengan tegangan operasi saklar/kontak, maka saklar dalam keadaan baik. Jika tegangan terukur mendekati nol, maka kontak terhubung singkat.
   • Jika kontak seharusnya tertutup: ukur tegangan yang melalui kontak. Jika besarnya tegangan mendekati nol, maka kontak dalam keadaan baik. Jika tegangan terukur sama dengan tegangan operasi kontak, maka kontak terbuka/putus
   • Jika resistansi kontak di-tengarai rusak, maka lepas resistansi, lalu ukur dengan Ohm-meter.
   • Jika saklar tidak terhubung ke kontak, maka tes jumper yang meng-hubungkan kontak
   • Jika saklar tidak terbuka, lepas salah satu kawat untuk meyakinkan masalahnya.
2. Melacak Kerusakan Relay
   Masalah Relay dapat dibedakan menjadi dua seperti pada saklar, yaitu: bagian kontak dan bagian operator. Melacak kerusakan bagian kontak dapat dilakukan dengan prosedur pelacakan saklar. Karena kontak relay bekerja berdasarkan kerja solenoid atau elektromagnetik, maka arus yang tidak sesuai akan menjadi masalah utama. Oleh karena itu, pelacakan bagian operator (koil elektromagnetik) atau solenoid dapat dilakukan dengan mengukur arus yang mengalir pada koil.
   • Ukur arus minimum yang menglir pada kontak. Ini disebut arus pull-in, yaitu: arus minimum agar armatur dapat melakukan kontak.
   • Setelah armatur terhubung, segera ukur arus yag melalui kontak sebelum armatur melewati kondisi normal (arus ini disebut arus drop-out). Arus yang terukur seharusnya lebih kecil dari arus pull-in.
   • Arus yang tidak sesuai dengan kondisi operasi mengindikasikan bahwa: relay tidak terhubung secara sempurna, sehingga menimbulkan panas pada koil.
   • Untuk perangkat yang menggunakan solenoid AC, maka akan dilengkapi dengan satu lilitan koil yang disebut cincin bayangan (shading ring) yang merupakan satu bagian dari armatur maganetik. Cincin bayangan digunakan untuk mengurangi huming noise AC solenoid.
3. Melacak kerusakan proximity sensor
   Karena karakteristik operasi tiap sensor berbeda, maka yang pertama harus dilakukan adalah mengetahui cara kerja sensor di dalam sistem. Berikut adalah tip melacak kesalahan Proximity Sensor.
   • Pastikan bahwa sensor bekerja dalam range dayanya, dengan cara melakukan pengukuran perangkat yang terhubung dengan sensor.
   • Pastikan bahwa semua setting penguat adalah benar, dan periksa semua segel adalah masih baik.
   • Pastikan bahwa semua setting saklar benar
   Gunakan indikator operasi pada sensor atau penguat sensor untuk memastikan bahwa: bagian elektronik sensor masih dalam keadaan baik, dengan cara mengukur output relay atau kondisi kerja transistor. Beberapa perangkat dengan output set NO akan menunjukkan ON jika telah meng-indra obyek.
   • Sedangkan untuk out dengan setting NC akan mempunyai kondisi sebaliknya.
   • Pastikan tidak ada obyek asing yang mempengaruhi kinerja sensor.
   • Pastikan bahwa: kecepatan bagian yang melalui sensor tidak melebihi respon frekuensi pada bagian tsb.
   • Pastikan bahwa jarak pengindraan tidak berkurang karena kurangnya tegangan catu atau karena perubahan temperatur.
4. Melacak kerusakan sensor fotoelektrik
   • Pastikan bahwa sensor mempunyai daya yang sesuai dengan range-nya, dengan cara melakukan pengukuran pada semua perangkat yang terhubung dengan sensor.
   • Pastikan bahwa semua setting penguat adalah benar, dan periksa semua segel adalah masih baik.
   • Pastikan bahwa semua setting saklar benar
   • Gunakan indikator operasi pada sensor atau penguat sensor untuk memastikan bahwa: bagian elektronik sensor masih dalam keadaan baik, dengan cara mengukur output relay atau kondisi kerja transistor. Beberapa perangkat dengan output set NO akan menunjukkan ON jika telah mengindra obyek. Sedangkan untuk out dengan setting NC akan mempunyai kondisi sebaliknya.
   • Pastikan bahwa lensa bersih dan terbebas dari benda asing
   • Pastikan bahwa kecepatan bagian yang melalui sensor tidak melebihi respon frekuensi pada bagian tsb.
   • Pastikan bahwa jarak pengindraan tidak berkurang karena kurangnya tegangan catu atau karena perubahan temperatur.