Kendali pompa, pemanas, dan proses dengan sakelar proses

Suatu malam tandon yang mengisi tangki air panas terbuka di sebuah laundry hotel kosong. Mesin cuci terus mengambil air dari keluaran di dekat dasar tangki sampai permukaannya turun di bawah tiga elemen pemanas 4 kW, dan elemen itu tetap menyala. Pagi harinya panel berbau hangus, RCD (gawai proteksi arus sisa, GPAS) trip, dan satu elemen retak dengan selubung menghitam. Termostatnya tidak rusak: kantong sensornya di tengah tinggi tangki, dan setelah air turun ia membaca udara yang mendingin lewat lubang ventilasi, bukan elemen yang memerah di bawahnya. Pemilik bertanya apakah perlu termostat yang lebih mahal. Yang hilang sebenarnya dua lapis lain: pembatas suhu yang bekerja lepas dari termostat, dan interlock level rendah yang tidak mengizinkan elemen menyala tanpa air.

Bab logika kendali dasar dan bab rangkaian kendali lanjutan menjalankan motor dari tombol, waktu, dan keadaan kontaktor lain. Di sini perintah datang dari tinggi air, suhu, dan tekanan. Sakelar proses tampak seperti kontak biasa di diagram, tetapi titik kerjanya bergeser dengan setelan, umur, dan pemasangan, dan kegagalannya dapat memberi tanda "aman" palsu. Pemanas memberi taruhan terbesar, karena elemen yang menyala tanpa air rusak dalam hitungan menit.

Batas pembahasan

Bab ini membahas sakelar proses yang memberi keluaran kontak ya/tidak dan penggabungannya ke rangkaian kontaktor dan relai. Relai level elektrode beserta tundanya dijelaskan di bab relai waktu, pompa bergantian dan ukuran bak penampung di bab rangkaian kendali lanjutan, relai beban kurang di bab proteksi motor, dan pemilihan kontaktor AC-1 serta SSR pemanas di bab komponen kendali. Cara menggambar kontak sensor proses pada keadaan acuan ada di bab diagram kendali. Sensor analog, transmiter, dan loop 4–20 mA dibahas pada bab sensor proses dan transmiter; kalibrasi termostat dan sakelar tekanan dibahas pada bab kalibrasi instrumen; dinamika kendali ON-OFF, lewatan suhu, dan PID dibahas pada bab elemen kendali akhir dan loop kendali. Boiler uap dan pengawasan bejana tekan berada di luar bab ini. Angka setelan di contoh adalah ilustrasi.

Sakelar proses: titik kerja, titik kembali, dan diferensial

Sakelar proses terdiri atas elemen pengindra yang mengubah besaran proses menjadi gaya atau gerak, pegas setelan yang melawan gaya itu, dan kontak yang dipindahkan mekanisme lompat (snap action). Buku ajar mesin listrik korpus mendaftar keluarganya: sakelar aliran, pelampung, sakelar suhu dengan tabung kapiler berisi cairan yang memuai, dan sakelar tekanan, dengan catatan bahwa kontak berubah ketika titik proses yang disetel tercapai. Silabus instrumentasi korpus menambahkan dua sekrup setelan pada sakelar tekanan, satu untuk titik kerja dan satu untuk diferensial, serta latihan memasang sakelar tekanan bersama katup solenoid dan alarm.

Bab 2 sudah memperkenalkan histeresis sebagai dua ambang yang berbeda untuk berpindah dan kembali. Pada sakelar proses, dengan $x$ besaran proses:

$$\Delta x = x_\text{kerja} - x_\text{kembali}$$

dengan $x_\text{kerja}$ nilai saat kontak berpindah pada arah naik dan $x_\text{kembali}$ nilai saat kontak kembali pada arah turun, dalam satuan besaran itu (K, bar, cm). $\Delta x$ disebut diferensial. Diferensial mencegah kontak bergetar (chatter) ketika besaran berayun kecil di sekitar ambang, gejala yang juga dicatat buku elektronika lama di korpus pada relai. Diferensial juga menentukan berapa kali beban dinyalakan per jam, seperti dihitung di contoh kerja.

Kata "diferensial" punya arti kedua. Buku ajar mesin listrik korpus membedakan sakelar tekanan yang bekerja pada satu tekanan dan konfigurasi diferensial yang bekerja karena selisih dua tekanan. Diferensial setelan adalah selisih titik kerja dan titik kembali pada satu sakelar.

Level: pelampung, elektrode, dan sakelar tekanan

Pelampung. Pelampung bola atau pelampung miring berisi sakelar yang berpindah ketika pelampung terangkat atau tergantung. Diferensialnya ditentukan panjang kabel bebas antara titik ikat dan pelampung, sehingga mengubah titik ikat berarti menyetel ulang level start dan stop. Kontak tukar (changeover) memberi mode isi dan mode kuras dari satu perangkat: kontak yang tertutup saat tangki rendah menjalankan pompa pengisi, kontak yang tertutup saat tangki tinggi menjalankan pompa kuras. Pelampung tidak bergantung pada konduktivitas air, tetapi dapat tersangkut serat atau pipa.

Elektrode. Relai level elektrode, tiga elektrodenya, dan tunda 0,5 s atau 7 s pada satu katalog sudah dijelaskan di bab relai waktu. Yang ditambahkan di sini adalah arah kegagalannya. Kabel elektrode yang putus terbaca "kering", sedangkan kerak, lapisan lemak, atau jembatan endapan antara elektrode dan dinding dapat terbaca "basah" walaupun air sudah turun. Untuk fungsi pelindung level rendah, "basah palsu" berarti pemanas atau pompa diizinkan bekerja tanpa air.

Sakelar tekanan level. Mesin cuci umumnya membaca level dari tekanan kolom air di bak luar, seperti dibahas di bab washer-extractor rak Laundry. Air yang naik memampatkan udara di kantong udara (air trap) di dasar bak, dan selang membawa tekanannya ke membran sakelar:

$$p = \rho\,g\,h$$

dengan $p$ tekanan di atas atmosfer (Pa), $\rho$ massa jenis air (kg/m³, sekitar $1\,000$), $g = 9{,}81$ m/s², dan $h$ tinggi air di atas kantong udara (m). Level 15 cm memberi $1\,000 \times 9{,}81 \times 0{,}15 \approx 1\,470$ Pa, atau 14,7 mbar, sehingga sakelar sangat peka: kebocoran di selang atau kantong udara membuat sakelar membaca kurang sehingga bak terisi berlebih, sedangkan selang yang tersumbat serat atau berisi air yang terperangkap dapat menahan tekanan lama sehingga sakelar tetap membaca "berair" setelah bak dikuras. Banyak mesin memakai sakelar tekanan berkontak ganda, dengan satu kontak sebagai izin pemanas pada level yang menjamin elemen terendam. Transduser tekanan analog dibahas pada bab sensor proses dan transmiter.

Termostat, pembatas suhu, dan pemutus termal

Sakelar suhu menggerakkan kontak dengan keping bimetal yang melengkung lalu melompat, cairan di bola dan tabung kapiler yang memuai menekan membran, atau sensor elektronik yang dibaca modul relai; buku ajar mesin listrik korpus menguraikan jenis kapiler. Bola kapiler dimasukkan ke kantong (thermowell) supaya dapat diganti tanpa menguras tangki, dengan harga berupa keterlambatan. Termostat yang disetel 64 °C membaca suhu kantongnya, bukan suhu air di dekat elemen atau di bagian atas tangki.

Standar pengendali otomatis membedakan tiga fungsi yang sering disebut "termostat" di lapangan. Rumusan berikut mengikuti ringkasan sekunder istilah IEC 60730-1 dan IEC 60335-1:

Pemutus termal yang kembali sendiri disebut self-resetting; yang harus dikembalikan tangan disebut non-self-resetting. Perangkat sekali pakai bekerja satu kali lalu harus diganti. IEC 60730-2-9 Ed. 5.0 (2026) menyebut pengindra suhu jenis ini single-operation device, sedangkan sekering termal (thermal link) diatur standar tersendiri, IEC 60691. Edisi ini terbit Mei 2026 dan menggantikan edisi 2015 beserta dua amandemennya. Alat yang menghentikan pemanas ketika termostat gagal bekerja pada keadaan tak normal, tidak dapat disetel pemakai, dan tidak kembali sendiri, sehingga dalam istilah IEC ia adalah pemutus termal jenis non-self-resetting. PUIL 2020 menyebutnya gawai pembatas suhu, dan lapangan menyebutnya pembatas suhu pengaman atau termostat pengaman. Bab ini memakai "pembatas suhu" untuk alat itu dalam arti PUIL; yang menentukan perannya tetap tiga hal: ia bekerja pada nilai di atas setelan termostat, ia tidak dapat disetel ulang oleh operator, dan ia tidak kembali sendiri. Sumber sekunder yang sama mengenal jenis gagal-aman (fail-safe), yang tidak membiarkan pemanas bekerja bila cairan tabung kapilernya bocor; jenis inilah yang cocok untuk -B2 pada contoh kerja.

Reset manual mempunyai alasan yang sama dengan larangan reset otomatis relai beban lebih di bab proteksi motor: trip adalah tanda gangguan. Pembatas yang kembali sendiri menyalakan pemanas lagi setelah suhu turun, sehingga pemanas bersiklus pada batas pengaman dengan termostat rusak tanpa ada yang tahu. Tombol reset yang harus ditekan dengan sengaja memaksa seseorang melihat gangguan itu.

Norma. PUIL 2020 5100.12.7.1 mewajibkan peranti pemanas air yang dipasang tetap dilengkapi gawai pembatas suhu dan katup pelepas tekanan, serta tanda peringatan yang mencantumkan keharusan itu. Klausul 5100.12.8 mensyaratkan zat cair tidak dapat masuk ke ruang elemen pemanas, dan 5100.12.4.2 meminta elemen, bila mungkin, ditandai tegangan yang diizinkan dan resistansinya pada 30 °C. Tanda resistansi itu berguna untuk diagnosis: elemen 4 kW untuk 400 V mempunyai resistansi $400^2/4\,000 = 40$ Ω, yang dapat dibandingkan dengan hasil ukur pada elemen yang sudah dipisahkan dan diverifikasi bebas tegangan. Tangki air panas yang terpasang tetap adalah peralatan instalasi, sehingga klausul ini berlaku langsung padanya; PUIL tidak berlaku untuk peralatan listrik pada mesin (Bagian 1, 11.3 k).

Standar produk. Untuk pemanas air penyimpanan rumah tangga dan serupa, IEC 60335-2-21:2022 (Ed. 7.0) memuat ketentuan pemutus termal pada pemanas tertutup dan mensyaratkan penandaan bahwa gawai pelepas tekanan harus dipasang pada instalasi bila tidak menyatu dengan pemanas. Mesin cuci rumah tangga diatur IEC 60335-2-7:2024 (Ed. 9.0), yang lingkupnya secara tegas mengecualikan mesin cuci komersial, termasuk mesin di launderette; mesin itu masuk IEC 60335-2-122:2023 (Ed. 1.0). Keduanya dipakai bersama IEC 60335-1:2020 (Ed. 6.0) yang kini beramandemen AMD1:2025. Mesin yang semata-mata industri berada di luar keluarga IEC 60335 dan mengikuti IEC 60204-1 serta ISO 10472 yang dikutip bab washer-extractor. Teks penuh standar-standar ini tidak dibaca, sehingga angka batas suhu dan uji operasi tak normalnya tidak dikutip.

Pemanas terbakar kering

Elemen pemanas berselubung logam membuang panasnya ke air melalui konveksi dan pendidihan lokal, dengan koefisien perpindahan panas ribuan W/(m²·K). Elemen yang memindahkan 10 W per cm², atau $100\,000$ W/m² (ilustrasi), hanya perlu beberapa puluh kelvin di atas suhu air. Di udara, konveksi hampir tidak berarti dan panas harus keluar lewat radiasi. Perhitungan kasar dengan emisivitas 0,8, dinding sekitar 40 °C, dan konveksi diabaikan:

$$T_\text{s} = \left(\frac{q}{\varepsilon\,\sigma} + T_\text{d}^4\right)^{1/4} = \left(\frac{100\,000}{0{,}8 \times 5{,}67 \times 10^{-8}} + 313^4\right)^{1/4} \approx 1\,220\ \text{K}$$

dengan $T_\text{s}$ suhu selubung (K), $q$ fluks panas (W/m²), $\varepsilon$ emisivitas, $\sigma$ tetapan Stefan-Boltzmann (W/(m²·K⁴)), dan $T_\text{d}$ suhu dinding (K). Selubung mencapai sekitar 900–950 °C (konveksi alami menurunkannya sedikit), jauh di atas suhu kerjanya di dalam air. Selubung teroksidasi, bubuk isolasi di dalamnya kehilangan resistansi isolasi, dan kawat pemanas dapat putus atau menyentuh selubung; gangguan tanah yang memicu RCD pada kasus pembuka adalah akhir rantai ini.

Termostat dan pembatas suhu yang membaca air di kantongnya tidak melihat kejadian itu tepat waktu. Perlindungan yang tepat mencegah elemen menyala tanpa air: sakelar level rendah yang kontaknya tertutup hanya bila elemen terendam dengan margin, dipasang seri pada jalur izin pemanas. Pada mesin cuci, fungsi itu dijalankan kontak izin pemanas pada sakelar tekanan level. Beberapa pemanas juga memakai pemutus termal yang menempel pada kepala elemen sehingga membaca elemen, bukan air.

Pompa yang berputar tanpa air kehilangan pelumasan dan pendinginan perapat porosnya. Perlindungannya adalah pelampung atau elektrode level rendah di tangki isap, atau relai beban kurang yang membaca daya aktif, dengan tunda jembatan start dari bab relai waktu. Level rendah di tangki isap diberi diferensial yang lebar supaya pompa tidak menyala-mati setiap kali permukaan air bergoyang di sekitar ambang.

Sakelar tekanan pada kompresor dan pompa booster

Kompresor udara torak kecil dikendalikan sakelar tekanan dengan titik mati (cut-out) dan titik hidup (cut-in). Saat motor berhenti, katup pembuang beban (unloader) membuang udara di kepala silinder dan pipa keluaran supaya start berikutnya tidak melawan tekanan tabung; katup yang macet membuat asut lebih lama dan relai beban lebih trip. Katup pengaman tabung adalah lapis mekanis terpisah, dan sakelar tekanan tidak pernah disetel di atas tekanan kerja maksimum tabung.

Jumlah start kompresor per jam dihitung dengan cara yang sama dengan pompa bak penampung di bab rangkaian kendali lanjutan. Dengan volume tabung $V$ (m³), diferensial $\Delta p$ (bar), tekanan atmosfer $p_0 \approx 1{,}013$ bar, dan debit udara bebas kompresor $Q_\text{k}$ (m³/min), udara bebas yang disimpan dalam diferensial pada suhu tetap adalah $V\Delta p/p_0$. Siklus terpendek terjadi ketika pemakaian rata-rata separuh debit kompresor:

$$T_\text{min} = \frac{4\,V\,\Delta p}{p_0\,Q_\text{k}}$$

dalam menit. Rumus ini mengabaikan pemanasan udara saat dimampatkan dan kebocoran; hasilnya dibandingkan dengan jumlah start per jam yang diizinkan pabrikan motor.

Pompa booster air bersih memakai sakelar tekanan dan tangki tekan bermembran yang menyimpan air di antara titik hidup dan titik mati. Bila tekanan udara pengisi awal tangki hilang atau membrannya bocor, volume simpan mendekati nol dan pompa menyala-mati setiap beberapa detik. Pompa yang mengisap dari tandon juga memerlukan pelindung kering.

Pompa booster dan kompresor start sendiri karena itu fungsinya. Untuk pompa yang dipasang sebagai bagian instalasi, PUIL 2020 5100.5.4.8 melarang motor yang dapat start ulang otomatis bila hal itu dapat mengakibatkan kecelakaan; kompresor paket adalah mesin, sehingga padanannya IEC 60204-1. Keduanya dinilai seperti pompa berpelampung di bab rangkaian kendali lanjutan: start otomatis dicatat sebagai bagian penilaian, puli dan sabuk kompresor diberi pelindung dan tanda peringatan, dan reset relai beban lebih tetap manual.

Kendali pemanas: siapa memutus apa

Bab komponen kendali memilih kontaktor AC-1 untuk pemanas 12 kW dan mencatat bahwa SSR paling sering gagal dalam keadaan terhubung singkat, sehingga pemanas ber-SSR memerlukan pemutus suhu lebih yang independen dan memutus melalui kontaktor atau pemisah. Aturan itu berlaku juga untuk kontaktor. Kontak utama kontaktor yang disakelar termostat puluhan ribu kali adalah bagian yang paling mungkin aus dan las. Bila pembatas suhu hanya memutus koil kontaktor yang sama, kontak las mengalahkan termostat dan pembatas sekaligus.

Karena itu jalur pemutus pembatas suhu dan interlock level dipisahkan dari jalur termostat. Pada pemanas kecil, termostat dan pemutus termal dua kutub sama-sama memutus arus elemen secara langsung. Pada pemanas tiga fasa, susunan yang lazim memakai dua kontaktor seri: -Q1 kontaktor kerja yang disakelar termostat -B1, dan -Q2 kontaktor pengaman di hulunya yang koilnya hanya dienergi bila pembatas suhu -B2 belum trip dan relai level rendah -K1 membaca air. Dengan cara penulisan bab logika kendali dasar, label tanpa tanda "-" di dalam persamaan:

$$\mathrm{Q2} = \overline{\mathrm{B2}} \cdot \mathrm{K1} \qquad \mathrm{Q1} = \overline{\mathrm{B2}} \cdot \mathrm{K1} \cdot \mathrm{Q2} \cdot \overline{\mathrm{B1}}$$

dengan B2 bernilai 1 bila pembatas trip, K1 bernilai 1 selama elektrode membaca air, dan B1 bernilai 1 bila suhu mencapai titik mati termostat; kontak -B2 dan -B1 berjenis NC. Jalur koil -Q1 dicabang dari titik sesudah -B2 dan -K1, sehingga trip pembatas atau level rendah memutus kedua koil secara langsung. Kontak bantu -Q2 di jalur koil -Q1 membuat -Q1 hanya menutup setelah -Q2 menutup, sehingga -Q2 tidak pernah menutup arus beban dan tidak ikut bersiklus dengan termostat. -Q2 tetap memutus arus beban setiap kali pembatas trip atau level turun, sehingga ratingnya AC-1 sama dengan -Q1. Kontak cermin -Q2, yang menurut bab komponen kendali tidak menutup selama ada kontak utama yang masih tertutup, dapat menyalakan lampu -P2 setiap kali -Q2 seharusnya terbuka; lampu yang tidak menyala saat -B2 atau -K1 memutus mengungkap -Q2 yang las. Kontak -B2, -K1, dan -B1 diletakkan di sisi tak terbumikan sirkit kendali, dan koil di sisi terbumikan, seperti disusun di bab sirkit kendali.

Logika gagal-aman untuk sakelar proses

Susunan di atas memakai satu kaidah: fungsi pelindung memakai kontak yang tertutup ketika keadaan sehat dan dialiri arus selama pemanas bekerja. Kabel putus, terminal kendur, atau suplai kendali hilang berakibat sama dengan gangguan yang dijaga, yaitu pemanas mati. Bab logika kendali dasar memakai kaidah yang sama untuk tombol STOP berkontak NC. Ringkasan sekunder IEC 60204-1 klausul 9.4 mendaftar ukuran untuk mengurangi risiko saat terjadi kegagalan: interlock pelindung, teknik dan komponen sirkit yang sudah terbukti, redundansi atau keragaman sebagian atau penuh, serta uji fungsi.

Kaidah itu tidak menangkap kegagalan yang membuat sensor membaca "aman" padahal tidak. Tabel berikut memisahkan kedua arah kegagalan.

Kegagalan ke arah berbahaya ditangani dengan dua cara. Pertama, keragaman: interlock level rendah memakai dua prinsip berbeda, misalnya pelampung dan elektrode, sehingga kerak yang menipu elektrode tidak menipu pelampung. Kedua, uji berkala yang membuktikan fungsi pelindung benar-benar memutus: menurunkan level air sampai interlock bekerja, dengan termostat tidak meminta panas atau elemen dimatikan, dan menghentikan pengurasan bila air sudah mencapai margin di atas elemen tanpa interlock bekerja, serta menguji pembatas suhu dengan cara yang disebut pabrikan pembatas itu. Uji itu tidak pernah dilakukan dengan menjembatani termostat atau interlock level.

Contoh kerja: tangki air panas 12 kW

Data ilustrasi. Tangki penyimpanan air panas terbuka berventilasi, diisi dari tandon lewat katup isi, berisi 300 L, anggap massa air 300 kg dan kalor jenis 4,19 kJ/(kg·K). Diameter dalam 0,6 m. Pemanas 12 kW, tiga elemen 4 kW terhubung segitiga pada 400 V. Termostat -B1 mati pada 64 °C dengan diferensial 4 K, sehingga hidup lagi pada 60 °C, sesuai penyimpanan air panas pada 60 °C atau lebih menurut bab panas dan utilitas pada rak Laundry. Bagian atas elemen 20 cm di atas dasar tangki. Laju ambil air terbesar 20 L/min.

Langkah 1: arus dan kontaktor. Pemanas resistif seimbang menarik

$$I = \frac{P}{\sqrt{3}\,U} = \frac{12\,000}{\sqrt{3} \times 400} = 17{,}3\ \text{A}$$

sama dengan pemanas di contoh kerja bab komponen kendali, yang memilih kontaktor AC-1 untuknya dan tidak diulang di sini. Tiap elemen menarik $400/40 = 10$ A.

Langkah 2: energi di dalam diferensial. Air yang turun 4 K menyimpan

$$Q = m\,c\,\Delta T = 300 \times 4{,}19 \times 4 = 5\,028\ \text{kJ}$$

Tanpa pengambilan air, pemanas menaikkan suhu melintasi diferensial dalam $5\,028/12 = 419$ s, sekitar 7 menit.

Langkah 3: siklus kontaktor. Dengan kebutuhan panas rata-rata $L$ (kW) lebih kecil dari daya pemanas $P$, waktu nyala $mc\Delta T/(P - L)$ dan waktu mati $mc\Delta T/L$. Jumlahnya terkecil pada $L = P/2$, bentuk yang sama dengan bak penampung di bab rangkaian kendali lanjutan:

$$T_\text{min} = \frac{4\,m\,c\,\Delta T}{P} = \frac{4 \times 5\,028}{12} = 1\,676\ \text{s}$$

atau 27,9 menit, paling banyak 2,1 siklus per jam. Selama 16 jam per hari dan 300 hari per tahun, -Q1 menutup paling banyak sekitar 10.300 kali per tahun. Termostat elektronik dengan diferensial 0,5 K pada tangki yang sama memberi $T_\text{min} = 210$ s, 17,2 siklus per jam, dan paling banyak sekitar 82.500 kali per tahun. Tangki 30 L dengan diferensial 0,5 K dan pemanas yang sama memberi $T_\text{min} = 21$ s, sampai sekitar 172 siklus per jam dan lebih dari 800.000 penutupan per tahun, sehingga kontaktor berumur 1 juta siklus AC-1 (ilustrasi) habis dalam sekitar 1,2 tahun. Hitungan ini menganggap suhu kantong sama dengan suhu air rata-rata; keterlambatan kantong dan pelapisan suhu di tangki membuat ayunan nyata lebih lebar dari diferensial, yang dibahas pada bab elemen kendali akhir dan loop kendali.

Langkah 4: setelan pembatas suhu. Pembatas -B2 harus berada cukup di atas titik mati termostat supaya lewatan normal tidak memicunya, dan cukup di bawah titik didih pada tangki terbuka ini (pada tangki tertutup, di bawah suhu kerja katup pelepas tekanan-suhu). Dipilih 85 °C dengan reset manual (ilustrasi), 21 K di atas 64 °C. Bila kontak -Q1 las dan tidak ada air yang diambil, air naik dari 64 °C ke 85 °C dalam $300 \times 4{,}19 \times 21/12 = 2\,200$ s, sekitar 37 menit. Pada tangki kosong pembatas ini tidak berguna, sehingga langkah berikut wajib.

Langkah 5: letak elektrode level rendah dan tundanya. Luas penampang tangki $\pi \times 0{,}3^2 = 0{,}283$ m². Elektrode minimum dipasang 30 cm di atas dasar, 10 cm di atas elemen, sehingga ada $0{,}283 \times 0{,}1 = 0{,}0283$ m³ atau 28 L air di atas elemen saat relai membaca kering. Pada laju ambil 20 L/min dan pasokan terhenti, air butuh $28/20 = 1{,}4$ menit dari elektrode ke puncak elemen. Tunda 7 s dari bab relai waktu menurunkan level hanya $20 \times 7/60 = 2{,}3$ L, sekitar 8 mm, sehingga tunda panjang itu aman dipakai untuk meredam ombak. -K1 adalah relai tersendiri, terpisah dari relai yang menjalankan katup isi, supaya satu kegagalan relai tidak sekaligus menghentikan pengisian dan menghilangkan pelindung level rendah. Setelah level kembali, -Q2 dapat menutup lagi sendiri, karena level rendah adalah keadaan proses, bukan gangguan perangkat; lampu -P1 dan pencatatannya membuat kejadian itu terlihat.

Langkah 6: telusur kegagalan tunggal. Kontak -B1 las: air naik sampai 85 °C, -B2 trip, -Q2 lepas, -Q1 lepas, pemanas menunggu reset manual. Kontak utama -Q1 las: sama, -Q2 memutus. Kabel elektrode putus: -K1 membaca kering, pemanas mati. Kontak -Q2 las: -B2 dan -K1 tetap memutus koil -Q1, sehingga pemanas masih punya satu jalur pemutus, tetapi tidak ada gejala selama -Q1 sehat. Kegagalan ini ditemukan lewat lampu kontak cermin -P2 atau uji berkala yang membuktikan -Q2 membuka ketika -B2 atau -K1 memutus. Elektrode berkerak: basah palsu, sehingga tangki ini memerlukan pelampung sebagai sensor kedua atau uji kuras berkala.

Tafsir. Pada tangki 300 L diferensial termostat hampir tidak memengaruhi umur kontaktor; yang menentukan keselamatan adalah dua jalur pemutus yang independen dan letak sensor level. Pada tangki kecil, diferensial sempit menghabiskan kontaktor; pilihannya diferensial lebih lebar atau SSR dengan -Q2 tetap di hulunya.

Contoh kerja lapangan

Contoh di bawah memakai rumus bab ini; angka keadaan yang bukan dari sumber ditandai angka latihan, dan hitungannya dicatat di peta sumber pengembangan. Pengukuran pada elemen, kontaktor, dan sensor dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai, setelah isolasi dan verifikasi bebas tegangan menurut Bab 2 · Keselamatan bila pekerjaannya menyentuh konduktor.

Contoh 1: memeriksa elemen pemanas air dapur rumah sakit. Tangki air panas dapur sebuah rumah sakit memakai pemanas 9 kW, tiga elemen 3 kW untuk 400 V terhubung segitiga (angka latihan). PUIL 2020 5100.12.4.2 meminta elemen, bila mungkin, ditandai resistansinya pada 30 °C; untuk elemen ini nilainya mendekati

$$R = \frac{400^2}{3\,000} = 53{,}3\ \Omega, \qquad I_\text{elemen} = \frac{400}{53{,}3} = 7{,}5\ \text{A}$$

Air panas sering kurang pada jam masak. Setelah suplai diisolasi dan diverifikasi bebas tegangan, elemen yang dilepas dari rangkaian terukur 53,1 Ω, 54,0 Ω, dan terbuka (angka latihan). Satu elemen putus, pemanas tinggal 6 kW, dan waktu pemanasan menjadi 1,5 kali. Bila ada tanda elemen pernah menyala tanpa air, kondisi berhenti butir 3 berlaku: resistansi isolasi diuji sebelum elemen dipakai lagi.

Contoh 2: elemen berfluks rendah tetap terbakar kering. Laundry sebuah hotel memilih elemen 4 W per cm², atau 40.000 W/m² (angka latihan), dengan harapan elemen aman bila air surut. Dengan anggapan kasar yang sama dengan bagian pemanas terbakar kering:

$$T_\text{s} = \left(\frac{40\,000}{0{,}8 \times 5{,}67 \times 10^{-8}} + 313^4\right)^{1/4} \approx 972\ \text{K}$$

Selubung tetap mencapai sekitar 700 °C, dibandingkan 1.220 K pada 10 W per cm². Fluks yang lebih rendah menurunkan suhu selubung, tetapi suhu itu tetap jauh di atas suhu kerjanya di dalam air. Perlindungannya tetap interlock level rendah di jalur izin pemanas, bukan pilihan elemen.

Contoh 3: diferensial sakelar tekanan kompresor laundry. Kompresor di laundry sebuah hotel berdebit udara bebas 0,5 m³/min mengisi tabung 500 L dengan sakelar tekanan 7 sampai 9 bar; tekanan kerja maksimum tabung 10 bar, dan pabrikan motor mengizinkan 10 start per jam (angka latihan).

$$T_\text{min} = \frac{4 \times 0{,}5 \times 2}{1{,}013 \times 0{,}5} = 7{,}9\ \text{menit}$$

atau 7,6 start per jam. Teknisi mempersempit diferensial menjadi 8 sampai 9 bar supaya tekanan stabil; $T_\text{min}$ menjadi 3,9 menit dan start naik menjadi 15,2 per jam, melampaui izin pabrikan. Diferensial 2 bar dipertahankan. Titik mati juga tidak dinaikkan di atas 10 bar untuk memperlebar diferensial (kondisi berhenti butir 6).

Contoh 4: letak elektrode level rendah di tangki rumah sakit. Tangki air panas berdiameter dalam 0,5 m di laundry sebuah rumah sakit, dengan laju ambil terbesar 40 L/min, ternyata mempunyai elektrode minimum hanya 3 cm di atas puncak elemen dan tunda relai 7 s (angka latihan).

$$A = \pi \times 0{,}25^2 = 0{,}196\ \text{m}^2, \qquad V = 0{,}196 \times 0{,}03 = 0{,}0059\ \text{m}^3 = 5{,}9\ \text{L}, \qquad \Delta V_\text{tunda} = \frac{40 \times 7}{60} = 4{,}7\ \text{L}$$

Air di atas elemen habis dalam 8,8 s, dan selama tunda level turun 2,4 cm, sehingga elemen hanya terendam 0,6 cm saat relai memutus; ombak dapat membuka elemen lebih dulu. Elektrode dipindah 10 cm di atas elemen (19,6 L, sekitar 29 s), dan tunda 7 s hanya memakai seperempat margin itu. Uji kuras berkala membuktikan letak baru itu (kondisi berhenti butir 9).

Kondisi berhenti

1. Pembatas suhu atau pemutus termal dijembatani, dilepas, disetel melebihi batas pabrikan, bolanya tidak berada di kantongnya, atau tidak pernah diuji. Pemanas tidak dioperasikan sampai pembatas dipasang dan diuji sesuai pabrikan.
2. Pembatas suhu trip. Reset tidak diulang untuk "melihat apakah trip lagi"; penyebabnya dicari lebih dulu: kontak termostat las, kontaktor las, SSR terhubung singkat, level rendah, atau sensor lepas.
3. Pemanas diketahui atau diduga menyala tanpa air. Suplai diputus dan dikunci, air tidak diisikan ke elemen yang masih panas, dan elemen diuji resistansi isolasinya serta diperiksa fisik sebelum dipakai lagi.
4. Interlock level rendah atau kontak izin pemanas pada sakelar tekanan dijembatani supaya mesin atau tangki "mau jalan". Mesin berhenti sampai sensor level diperbaiki.
5. Katup pelepas tekanan-suhu disumbat, dilepas, salurannya ditutup, atau terus meneteskan air panas, tanda termostat, pembatas, atau tekanan pasokan bermasalah.
6. Sakelar tekanan kompresor disetel di atas tekanan kerja maksimum tabung, atau katup pengaman tabung tidak berfungsi.
7. Sakelar proses bertegangan jaringan di lokasi basah dengan selungkup pecah atau gland terbuka.
8. Pekerjaan pada elemen, kontaktor, atau kabel sensor direncanakan tanpa isolasi dan verifikasi bebas tegangan menurut Bab 1 · Keselamatan dan Bab 2 · Keselamatan.
9. Uji berkala menunjukkan -Q2 tidak membuka ketika pembatas atau interlock level memutus, atau level turun sampai margin di atas elemen tanpa interlock bekerja. Pemanas tidak dioperasikan sampai kontaktor atau sensor diganti dan uji diulang dengan hasil lulus.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Termostat kedua dengan setelan lebih tinggi sudah menjadi pengaman." Termostat kedua yang kembali sendiri dan memutus kontaktor yang sama gagal bersama kontaktor itu. Pengaman memerlukan reset manual, setelan yang tidak dapat diubah operator, dan jalur pemutus sendiri.

"Diferensial sempit berarti suhu lebih tepat." Diferensial sempit menambah jumlah siklus, tetapi tidak menghapus keterlambatan kantong dan pelapisan suhu. Ayunan nyata tetap lebih lebar dari diferensial.

"Sakelar tekanan kompresor adalah pengaman tekanan." Sakelar tekanan mengendalikan motor. Katup pengaman tabung adalah lapis terpisah yang tidak disetel ulang oleh teknisi kendali.

"NO atau NC sama saja, asal logikanya dibalik di rangkaian." Keduanya sama untuk logika, tetapi berbeda untuk kabel putus. Fungsi pelindung memakai kontak yang tertutup ketika keadaan sehat.

Hubungan dengan bab lain

Bab ini bersandar pada Bab 2, bab sistem tiga fasa, Bab 3 · Fluida & Termal, dan bab-bab kendali yang disebut di batas pembahasan. Hasilnya dipakai bab washer-extractor dan bab panas dan utilitas pada rak Laundry, serta bab sensor proses, kalibrasi, kendali PID, PLC, dan keselamatan fungsional mesin yang dibahas sesudahnya.

Latihan dan pembahasan

1. Sakelar tekanan level disetel berpindah pada 17,7 mbar. Hitung tinggi air yang dimaksud. Kemudian kantong udaranya bocor sehingga sakelar hanya menerima 80 % tekanan sebenarnya. Pada tinggi air berapa sakelar berpindah, dan apa akibatnya pada konsentrasi kimia dan pada izin pemanas?
2. Tangki penguat 50 L dipanasi elemen 6 kW. Berapa diferensial termostat terkecil supaya kontaktor paling banyak 6 siklus per jam? Anggap massa air 50 kg dan abaikan keterlambatan kantong.
3. Kompresor dengan debit udara bebas 0,4 m³/min mengisi tabung 270 L, sakelar tekanan 6–8 bar. Pabrikan motor mengizinkan 10 start per jam (ilustrasi). Hitung jumlah start per jam terburuk, lalu periksa tabung 500 L.
4. Pada pemanas contoh kerja, satu elemen antara L1 dan L2 putus. Hitung arus ketiga saluran dan daya pemanas, lalu jelaskan gejala proses yang terlihat dan cara memastikan elemen mana yang putus.
5. Pemanas tiga fasa dikendalikan SSR yang disakelar termostat elektronik. Pilih susunan pembatas suhu yang benar: (A) pembatas memutus sinyal kendali SSR; (B) termostat kedua dengan setelan sama dipasang paralel sebagai cadangan; (C) pembatas reset manual memutus koil kontaktor -Q2 di hulu SSR; (D) pembatas reset otomatis memutus koil kontaktor -Q2 di hulu SSR.
6. Tangki air sadah memakai elektrode level rendah sebagai satu-satunya pelindung kering. Jelaskan kegagalan elektrode mana yang aman dan mana yang berbahaya, bagaimana masing-masing ditemukan, dan apa yang ditambahkan.

Kunci jawaban beralasan

1. $h = p/(\rho g) = 1\,770/(1\,000 \times 9{,}81) = 0{,}180$ m, jadi 18 cm. Dengan 80 % tekanan, sakelar berpindah ketika tekanan sebenarnya $17{,}7/0{,}8 = 22{,}1$ mbar, yaitu $h = 2\,213/9\,810 = 0{,}226$ m atau sekitar 22,6 cm. Level air 25 % lebih tinggi; pada bak silinder mendatar volume air bertambah lebih dari 25 %, sehingga dosis yang sama menjadi lebih encer (bab washer-extractor). Izin pemanas baru diberikan pada air yang lebih tinggi, jadi kegagalan ini ke arah aman bagi elemen. Arah berbahaya adalah kegagalan lain, yaitu selang tersumbat yang menahan tekanan setelah bak dikuras.
2. $T_\text{min} \ge 3\,600/6 = 600$ s. Dari $T_\text{min} = 4mc\Delta T/P$: $\Delta T \ge 600 \times 6/(4 \times 50 \times 4{,}19) = 4{,}30$ K, sehingga dipilih setelan 4,5 K atau lebih lebar. Diferensial yang lebih sempit tetap dapat dipakai dengan SSR, asal kontaktor pengaman tetap di hulu.
3. Udara bebas tersimpan $0{,}27 \times 2/1{,}013 = 0{,}533$ m³. $T_\text{min} = 4 \times 0{,}533/0{,}4 = 5{,}33$ menit, jadi 11,3 start per jam, melampaui 10. Tabung 500 L: $4 \times 0{,}5 \times 2/(1{,}013 \times 0{,}4) = 9{,}87$ menit, 6,1 start per jam, memenuhi. Memperlebar diferensial juga menurunkan jumlah start, tetapi titik mati tidak boleh melampaui tekanan kerja maksimum tabung.
4. Arus elemen tetap 10 A karena tegangan antarfasa tetap. Dengan $I_{12} = 0$: $I_\text{L1} = I_{12} - I_{31}$ bernilai 10 A, $I_\text{L2} = I_{23} - I_{12}$ bernilai 10 A, dan $I_\text{L3} = I_{31} - I_{23}$ bernilai $\sqrt{3} \times 10 = 17{,}3$ A; jumlah fasornya nol. Daya $2 \times 4 = 8$ kW, sehingga waktu pemanasan 1,5 kali lebih lama dan tangki kehabisan air panas pada jam sibuk. Tang ampere membaca 10, 10, dan 17,3 A (oleh personel kompeten, alat berkategori ukur sesuai, dan APD). Elemen dipastikan dengan mengukur resistansi tiap elemen setelah suplai diisolasi dan diverifikasi bebas tegangan, lalu dibandingkan dengan 40 Ω atau tanda resistansi menurut PUIL 2020 5100.12.4.2.
5. C. SSR gagal terhubung singkat, sehingga A tidak memutus apa pun ketika SSR itu yang rusak. B menambah jalur yang menyalakan pemanas, bukan jalur yang memutusnya. D memutus jalur yang benar, tetapi menyalakan pemanas lagi setelah suhu turun, sehingga pemanas bersiklus pada batas pengaman dengan SSR yang rusak.
6. Kabel putus terbaca kering, sehingga pemanas mati dan gangguan langsung terlihat; ini arah aman. Kerak atau lapisan yang menjembatani elektrode ke dinding terbaca basah walaupun air sudah turun; pemanas tetap diizinkan, dan tidak ada gejala sampai tangki kosong. Kegagalan itu hanya ditemukan dengan uji kuras berkala yang menurunkan air sampai interlock bekerja, dengan elemen dalam keadaan mati. Yang ditambahkan adalah sensor kedua dengan prinsip berbeda, misalnya pelampung, seri di jalur -Q2, serta jadwal pembersihan elektrode.

Referensi