PLC lanjutan: I/O analog, penskalaan, PID, HMI, dan komunikasi

Di ruang cuci komersial yang beroperasi sepanjang hari, mesin pengering berkapasitas besar harus menjaga suhu udara panas pada rentang yang sempit agar kain tidak rusak tetapi proses tetap efisien. Operator tidak ingin menempel di depan mesin; mereka ingin melihat suhu, kelembapan, dan kecepatan kipas dari satu layar, lalu mengubah resep program tanpa membongkar kabel. Ketika suhu udara bergeser, kecepatan kipas harus menyesuaikan diri secara otomatis, bukan diputar manual oleh teknisi. Semua kebutuhan itu tidak dapat dipenuhi oleh logika diskret semata.

Sinyal dunia nyata bersifat kontinu: suhu, tekanan, debit, dan posisi tidak pernah hanya "hidup" atau "mati". Bab relai pintar dan PLC, bab pemrograman PLC, dan bab kendali motor dengan PLC bekerja dengan sinyal diskret. Di sini ditambahkan tiga lapisan: sinyal analog dari transmiter proses, antarmuka operator berbasis layar sentuh, dan jaringan komunikasi yang menghubungkan -K1 PLC dengan -P1 HMI serta -T1 penggerak frekuensi variabel (variable frequency drive, VFD). Setiap lapisan membawa cara gagalnya sendiri yang harus berakhir di keadaan aman.

Batas pembahasan

Cakupannya modul masukan analog arus 4–20 mA dengan resolusi 12 dan 16 bit, blok PID tunggal dari pustaka PLC, layar HMI dengan fungsi status, alarm, resep, dan hak akses, serta protokol Modbus RTU dan Modbus TCP pada tingkat aplikasi dasar. Kendali prediktif model, jaringan saraf, keamanan siber, HART, dan fieldbus lain berada di luar cakupan. Prinsip transmiter dan loop 4–20 mA ada di bab sensor proses dan transmiter, kalibrasinya di bab kalibrasi instrumen, dan arti fisik P, I, dan D beserta penyetelannya di bab elemen kendali akhir dan loop kendali. Parameter VFD dan pemasangan kabel motornya dibahas pada bab VFD: parameter dan komisioning serta bab VFD: instalasi, EMC, harmonisa, dan arus bocor.

Modul analog: resolusi, rentang, dan penskalaan

Modul analog adalah antarmuka antara dunia fisik yang kontinu dan dunia digital yang diskret di dalam -K1 PLC. Transmiter suhu -B1 mengirimkan sinyal 4–20 mA, dan modul mengubahnya menjadi bilangan bulat di register PLC melalui konversi analog ke digital (A/D). Kehalusannya ditentukan oleh resolusi, yaitu jumlah bit yang mewakili seluruh rentang sinyal.

Modul 12 bit membagi rentangnya menjadi $2^{12} = 4\,096$ tingkat, dengan cacah mentah 0 sampai 4.095. Modul 16 bit menghasilkan 65.536 tingkat (0–65.535), sehingga langkahnya 16 kali lebih halus. Setiap pabrikan menetapkan sendiri pemetaan cacah ke rentang arus; tabel berikut ilustrasi, dan lembar data modul aktual selalu menjadi acuan.

Resolusi yang diperlukan ditentukan oleh akurasi rantai ukur. Aturan editor yang dipakai di sini: langkah kuantisasi tidak lebih besar dari batas akurasi transmiter, sehingga galat kuantisasi (setengah langkah) hanya menambah sedikit pada galat transmiter. Untuk rentang 0–150 °C, langkah modul 12 bit adalah $150/4\,095 \approx 0{,}037$ °C, jauh di bawah akurasi transmiter suhu yang lazim.

Rumus penskalaan linear

Cacah mentah diubah menjadi satuan teknik seperti derajat Celsius untuk logika kendali dan tampilan -P1 HMI. Rumusnya adalah pemetaan linear dua titik dari Bab 2, dengan cacah sebagai masukan:

$$X = X_\text{min} + \frac{N - N_\text{min}}{N_\text{maks} - N_\text{min}}\,(X_\text{maks} - X_\text{min})$$

dengan $X$ nilai dalam satuan teknik (°C), $N$ cacah mentah dari modul, $N_\text{min}$ dan $N_\text{maks}$ cacah untuk batas bawah dan atas sinyal (misalnya 0 dan 4.095 untuk 12 bit), serta $X_\text{min}$ dan $X_\text{maks}$ batas bawah dan atas rentang pengukuran transmiter (misalnya 0 °C dan 150 °C). Asumsinya: hubungan arus dengan besaran fisik linear, dan rentang transmiter sama dengan rentang yang dimasukkan ke program; kebenaran pembacaannya diperiksa dengan kalibrasi. Hitungan dilakukan dalam bilangan pecahan (REAL), atau bila terpaksa bilangan bulat, perkalian dikerjakan sebelum pembagian supaya pembulatan tidak memotong hasil.

Penyaringan sinyal dan deteksi sinyal putus

Sinyal 4–20 mA yang datang dari lapangan jarang bersih sempurna. Interferensi elektromagnetik dari VFD dan motor, pembumian pelindung yang keliru, dan sambungan yang memburuk dapat menambahkan derau pada sinyal; cara pemasangan kabelnya ada di bab sensor proses. Tanpa penyaringan, nilai proses yang terbaca melompat-lompat dan blok PID bereaksi terhadap gangguan yang sebenarnya tidak ada.

Filter rata-rata bergerak dan filter orde pertama

Cara paling sederhana adalah filter rata-rata bergerak (moving average filter): PLC menyimpan $n$ sampel terakhir dan menghitung rata-ratanya setiap kali mencuplik. Semakin besar $n$, semakin halus keluaran tetapi semakin lambat responsnya. Alternatifnya filter orde pertama digital (PT1) dengan konstanta waktu $T_\text{f}$:

$$Y_k = \alpha\,X_k + (1 - \alpha)\,Y_{k-1}, \qquad \alpha = \frac{T_\text{s}}{T_\text{f} + T_\text{s}}$$

dengan $T_\text{s}$ selang cuplik (s), $T_\text{f}$ konstanta waktu filter yang dipilih teknisi (s), $X_k$ sampel masukan terbaru, dan $Y_{k-1}$ keluaran filter sebelumnya. Rumus ini mengandaikan $T_\text{s}$ tetap, padahal waktu scan PLC berubah-ubah menurut panjang program dan beban komunikasi. Karena itu filter, dan juga blok PID, dijalankan di tugas siklik berselang tetap (tugas periodik IEC 61131-3), atau memakai selang waktu terukur sebenarnya. Konstanta waktu filter dipilih jauh lebih kecil dari konstanta waktu proses supaya filter tidak menambah keterlambatan yang berarti pada loop.

Deteksi sinyal putus menurut NE 43

Keunggulan sinyal 4–20 mA dibandingkan sinyal tegangan adalah kemampuan deteksi kegagalan: arus di bawah 4 mA tidak pernah berarti nilai proses yang sah. Batas yang dipakai sama dengan bab sensor proses, yaitu rekomendasi NAMUR NE 43:

Pemeriksaan ini hanya mungkin bila modul dapat melaporkan arus di luar 4–20 mA. Modul ilustrasi 12 bit di atas memetakan tepat 4–20 mA ke seluruh cacahnya, sehingga 0 mA dan 3,9 mA sama-sama terbaca cacah 0; program lalu bersandar pada bit diagnostik modul, yang ambangnya dicek di lembar data terhadap NE 43. Modul ilustrasi kedua memetakan 0–24 mA ke cacah 0–24.000, sehingga satu cacah 1 µA dan batas NE 43 langsung menjadi cacah 3.600, 3.800, 20.500, dan 21.000.

Ketika sinyal kegagalan terdeteksi, -K1 PLC memicu alarm di -P1 HMI, menandai PV tidak sah, dan menempatkan proses pada kondisi aman, misalnya mematikan pemanas. Nilai terakhir yang sah boleh dibekukan untuk tampilan, tetapi blok PID tidak boleh terus menghitung dari nilai beku itu; blok dipindah ke mode manual dengan keluaran aman. Pemeriksaan dilakukan setiap kali mencuplik, sebelum nilai masuk ke blok penskala maupun blok PID. Pembatas suhu reset manual tetap berupa perangkat keras terpisah yang tidak bergantung pada sinyal analog ini.

Blok PID di PLC: pengaturan, satuan, dan anti-windup

Kendali proporsional-integral-derivatif (PID) adalah algoritma kendali umpan balik yang paling luas digunakan di industri; arti fisik ketiga bagiannya dan bentuk standarnya dibahas di bab elemen kendali akhir dan loop kendali. Di PLC, blok fungsi PID menerima nilai proses (PV) dan nilai acuan (setpoint, SP), menghitung galat, lalu menghasilkan keluaran (MV) yang dikirim ke aktuator; pada contoh kerja di bawah, ke -T1 VFD melalui Modbus. IEC 61131-3 menetapkan bahasa pemrograman dan blok fungsi dasar seperti pewaktu, pencacah, dan deteksi tepi, tetapi tidak menetapkan blok PID baku. Blok PID berasal dari pustaka pabrikan, sehingga bentuk algoritma, satuan, dan nama parameternya dibaca dari dokumentasinya.

Satuan $K_\text{p}$, $T_\text{i}$, dan $T_\text{d}$. Blok yang menormalkan PV dan MV ke persen memakai $K_\text{p}$ tak berdimensi, sedangkan blok yang bekerja dalam satuan teknik memakai persen per °C atau sejenisnya; angka setelan tidak dapat dipindahkan antarblok tanpa mengetahui normalisasinya. $T_\text{i}$ dan $T_\text{d}$ dinyatakan dalam detik. Dalam bentuk standar bagian integral mati bila $T_\text{i}$ menuju tak hingga, tetapi sebagian blok menafsirkan $T_\text{i} = 0$ sebagai "integral mati" dan sebagian lain menolaknya, dan beberapa pabrikan memakai $K_\text{i} = K_\text{p}/T_\text{i}$ sebagai parameter. Pada sinyal berderau atau beresolusi kasar, aksi derivatif diperkecil atau dimatikan ($T_\text{d} = 0$).

Aksi langsung atau balik. Pada aksi balik (reverse acting), keluaran naik bila PV turun di bawah SP, seperti pemanas. Pada aksi langsung (direct acting), keluaran naik bila PV naik di atas SP, seperti kipas pendingin. Arah yang salah membuat loop mendorong proses menjauh dari acuan, sehingga arah aksi ditetapkan dari fisika prosesnya sebelum setelan lain disentuh.

Batas keluaran dan waktu cuplik. MV dibatasi antara $\text{MV}_\text{min}$ dan $\text{MV}_\text{maks}$, misalnya 0 % sampai 100 % rentang referensi frekuensi VFD. Pembatasan ini wajib dikonfigurasi untuk mencegah aktuator menerima sinyal di luar rentang operasinya, dan dikonfigurasi dalam blok PID, bukan dalam program logika tangga terpisah, supaya anti-windup mengetahui batasnya. Blok dijalankan dengan waktu cuplik tetap, seperti filter, karena $T_\text{i}$ dan $T_\text{d}$ dihitung dari selang cuplik itu.

Anti-windup

Windup integral terjadi ketika MV sudah mencapai batasnya tetapi galat masih bertanda sama: integrator terus menjumlahkan galat, sehingga ketika acuan akhirnya tercapai, akumulasinya perlu waktu lama untuk "dikosongkan" dan MV berbalik terlambat. Teknik anti-windup yang paling umum adalah penjepitan (clamping): ketika MV menyentuh batas, akumulasi integral dihentikan. Banyak blok PID pustaka PLC menyediakan parameter untuk mengaktifkan fitur ini; parameter tersebut dipastikan aktif saat komisioning, dan setelan akhirnya dicatat sebagai bukti komisioning seperti pada Bab 52.

HMI: layar status, alarm, resep, dan hak akses

-P1 HMI adalah jendela operator ke dalam sistem kendali. Operator perlu melihat suhu, status motor, dan waktu siklus sekilas pandang; teknisi dan pelatih membutuhkan parameter PID dan diagnostik alarm; pemilik usaha mungkin hanya ingin laporan produksi harian. Ketiga kebutuhan ini diselesaikan dengan hierarki halaman dan hak akses.

Layar status menampilkan nilai proses waktu nyata: suhu udara (°C), kecepatan kipas (Hz atau rpm), status katup (buka/tutup), dan fase siklus. Informasi paling penting untuk keputusan operator terlihat tanpa menggulir halaman dan tanpa interaksi apa pun.

Manajemen alarm. Fungsi utama sistem alarm menurut IEC 62682:2022 adalah memberi tahu operator tentang kondisi proses tidak normal atau kerusakan peralatan dan mendukung tanggapannya. Karena itu setiap alarm menuntut tindakan operator dan diberi prioritas menurut akibat dan waktu tanggap yang tersedia; pemberitahuan tanpa tindakan dicatat sebagai kejadian supaya layar tidak dibanjiri. Penghentian otomatis proses adalah fungsi kendali atau pengaman; alarm hanya melaporkannya. Setiap alarm memiliki teks deskriptif, kode unik, dan petunjuk tindakan singkat, dan riwayatnya tersimpan dalam log yang dapat diekspor.

Resep (recipe) menyimpan kumpulan nilai acuan untuk satu jenis produk: suhu, waktu, kecepatan, dan urutan katup. Operator memilih nomor resep dari layar, lalu -K1 PLC memuat semua parameter ke register yang sesuai, setelah memeriksa bahwa nilainya di dalam batas aman mesin.

Hak akses (user level) umumnya tiga tingkat: operator (melihat status, memilih resep, dan mengakui alarm), teknisi (mengubah nilai acuan), dan insinyur atau pelatih (mengubah parameter PID dan konfigurasi). Setiap tingkat dilindungi kata sandi dan perubahan dicatat; silabus korpus juga melatih fitur keamanan HMI untuk pencatatan dan eksekusi perintah. HMI bukan perangkat keselamatan: stop darurat tetap tombol fisik yang memutus di luar PLC, bukan ikon di layar sentuh.

Komunikasi serial dan Ethernet: Modbus RTU dan TCP

Komunikasi industri memungkinkan -K1 PLC berbicara dengan -P1 HMI dan -T1 VFD tanpa satu kabel per sinyal. Buku ajar korpus menunjukkan cara lama, yaitu start, stop, arah, dan status VFD dikawatkan ke masukan dan keluaran digital PLC dan referensi kecepatan lewat keluaran analog, lalu mencatat bahwa kebanyakan VFD kini mendukung Modbus. Dua protokol yang lazim di laundry komersial dan mesin industri ringan adalah Modbus RTU melalui antarmuka serial RS-485 dan Modbus TCP melalui Ethernet. Keduanya bekerja dengan pola permintaan dan jawaban: satu perangkat memulai semua transaksi dan perangkat lain hanya menjawab ketika dipanggil. Spesifikasi serial memakai istilah master dan slave, spesifikasi protokol aplikasi memakai klien dan server, dan sejak Juli 2020 organisasi Modbus memakai istilah klien-server untuk semuanya.

RS-485 dua kawat: polaritas, terminasi, dan bias

RS-485 (standar TIA-485-A) memakai sepasang kawat terpilin (twisted pair) untuk sinyal diferensial. Penerima yang memenuhi standar sudah dapat membedakan tegangan diferensial sekecil 200 mV; di antara −200 mV dan +200 mV keadaannya tidak tertentu. Sinyal diferensial tahan terhadap derau mode bersama dari VFD dan motor, selama tegangan mode bersamanya di dalam rentang kerja penerima (−7 V sampai +12 V).

Penamaan A dan B tidak seragam. Spesifikasi Modbus menamai kawat D1 (B/B′) dan D0 (A/A′), dengan D1 lebih positif daripada D0 untuk biner 1, keadaan diam jalur; ini sesuai dengan standar yang menyatakan terminal A negatif terhadap B untuk biner 1. Banyak pabrikan IC pemancar-penerima memakai penamaan sebaliknya, yaitu A lebih positif untuk data 1. Label A/B di dua perangkat berbeda merek belum tentu cocok, jadi polaritas dicocokkan dari lembar data masing-masing.

Terminasi dipasang di dekat kedua ujung kabel bus untuk mencegah pantulan sinyal; perangkat di tengah bus tidak diterminasi. Kabel RS-485 umumnya berimpedansi karakteristik 120 Ω dan diterminasi 120 Ω di setiap ujung; spesifikasi Modbus menyebut 150 Ω, atau 120 Ω seri dengan kapasitor 1 nF. Supaya penerima tidak membaca data acak saat bus diam, spesifikasi Modbus meminta satu pasang resistor polarisasi (bias) 450–650 Ω untuk seluruh bus bila ada perangkat yang membutuhkannya. Kabel -W1 memakai satu pasangan terpilin untuk D0-D1 ditambah kawat ketiga Common sebagai acuan bersama, dengan pelindung dibumikan ke PE di satu ujung. Tanpa repeater, satu bus boleh memuat 32 perangkat; pada 9.600 baud dengan kawat AWG 26 atau lebih besar panjangnya sampai 1.000 m, dan cabang ke perangkat tidak lebih dari 20 m. Angka 20 m itu batas atas spesifikasi, bukan panjang anjuran: cabang dari jalur utama ke perangkat tetap dibuat sependek mungkin, dan perangkat baru lebih baik disisipkan pada jalur bus, seperti urutan menambah perangkat di Bab 5 · Komputasional tentang komunikasi data perangkat lapangan.

Parameter komunikasi serial dan alamat

Semua perangkat dalam satu segmen RS-485 dikonfigurasi dengan parameter yang identik. Spesifikasi Modbus mewajibkan 9.600 dan 19.200 baud dengan 19.200 sebagai bawaan; kecepatan lain seperti 38.400 baud boleh dipakai bila semua perangkat mendukungnya. Satu karakter RTU berisi 11 bit: 1 bit mulai, 8 bit data, 1 bit paritas, dan 1 bit henti. Paritas genap (even) wajib didukung; bila dipakai tanpa paritas, bit henti menjadi 2 supaya karakter tetap 11 bit. Bingkai pesan dipisahkan jeda senyap sekurangnya 3,5 waktu karakter (tetap 1,75 ms di atas 19.200 baud), dan setiap bingkai diakhiri CRC 16 bit. Setiap server memiliki alamat unik 1 sampai 247; alamat 0 dipakai untuk pesan siaran yang tidak dijawab, dan 248–255 dicadangkan.

Modbus TCP melalui Ethernet

Modbus TCP membungkus pesan Modbus di dalam paket TCP/IP dan dikirim ke port terdaftar 502; angka ini baku, bukan ilustrasi. Tidak ada baud rate, paritas, atau CRC Modbus, karena pemeriksaan galat diserahkan ke lapisan TCP/IP dan Ethernet. Setiap perangkat diidentifikasi dengan alamat IP; kolom unit identifier di kepala pesan dipakai untuk meneruskan pesan melalui gateway ke perangkat serial. Keunggulannya kecepatan (100 Mbit/s atau 1 Gbit/s) dan sakelar Ethernet biasa; jaringan mesin tetap dipisahkan dari jaringan kantor karena Modbus tidak memiliki autentikasi.

Kode fungsi dan penomoran register

Modbus mengenal empat tabel data: masukan diskret (1 bit, hanya baca), koil (1 bit, baca-tulis), input register (16 bit, hanya baca), dan holding register (16 bit, baca-tulis).

Penomoran register adalah sumber kesalahan yang sering terjadi. Menurut spesifikasi, data bernomor X dalam model data dialamatkan sebagai X − 1 di dalam pesan, karena alamat pesan dimulai dari 0. Manual perangkat sering memakai notasi lama "4xxxx" untuk holding register, misalnya 40002 untuk holding register nomor 2, yang di pesan beralamat 1; notasi ini tidak ada di spesifikasi Modbus. Bila perangkat menolak permintaan, ia membalas dengan kode fungsi ditambah 80 heksadesimal dan kode pengecualian, misalnya 02 untuk alamat data yang tidak diizinkan. Spesifikasi Modbus terbuka untuk umum; IEC 61158 dan IEC 61784 mengatur fieldbus secara lebih luas dan menjadi bacaan pengayaan.

Contoh kerja: membaca suhu dan menulis referensi kecepatan ke VFD

Contoh berikut menggabungkan konsep di atas: membaca suhu udara masuk drum pengering dari transmiter -B1 4–20 mA, menskalakannya ke °C, menentukan kecepatan kipas sirkulasi -M1 dengan PID, dan mengirim referensi frekuensi ke -T1 VFD melalui Modbus RTU. Pemanas -E1 berdaya tetap selama tahap pengeringan. Semua angka adalah ilustrasi dan tidak mewakili spesifikasi produk tertentu.

Langkah 1: cacah mentah untuk suhu 95 °C. Misalkan udara bersuhu 95 °C. Rumus penskalaan dibalik untuk mencari cacah yang diharapkan:

$$N = N_\text{min} + \frac{X - X_\text{min}}{X_\text{maks} - X_\text{min}}\,(N_\text{maks} - N_\text{min}) = \frac{95}{150} \times 4\,095 = 2\,593{,}5$$

Modul melaporkan 2.593 atau 2.594, yang diskalakan kembali menjadi 94,98 atau 95,02 °C; selisihnya satu langkah kuantisasi, 0,037 °C. Nilai hasil skala ini masuk ke blok PID sebagai PV setelah lolos pemeriksaan NE 43 dan filter.

Langkah 2: arah aksi dan keluaran PID. Dengan daya pemanas tetap $P$, kenaikan suhu udara melewati pemanas adalah $\Delta T = P/(\dot m\,c_p)$, dengan $\dot m$ laju aliran massa udara (kg/s) dan $c_p$ kalor jenis udara (J/(kg·K)). Kipas yang lebih cepat menambah $\dot m$ dan menurunkan suhu udara, sehingga blok dikonfigurasi aksi langsung: PV di atas SP menaikkan MV. Dengan SP = 80 °C dan PV = 95 °C, galat $e = \text{SP} - \text{PV} = -15$ °C: proses terlalu panas. Blok aksi langsung membalik tanda galat (memakai $\text{PV} - \text{SP} = +15$ °C), sehingga MV dan kecepatan kipas naik. Misalkan keluaran PID pada saat itu 35 % (ilustrasi). Dengan batas keluaran 15–50 Hz, referensi frekuensinya:

$$f_\text{ref} = 15 + 0{,}35 \times (50 - 15) = 27{,}25\ \text{Hz}$$

Langkah 3: frekuensi ke nilai register Modbus. -T1 VFD mengharapkan bilangan bulat di holding register 40002 dengan skala 10.000 = 50 Hz, sehingga faktor skalanya $10\,000/50 = 200$ per Hz:

$$N_\text{VFD} = f_\text{ref} \times 200 = 27{,}25 \times 200 = 5\,450$$

-K1 PLC mengirim kode fungsi 06 ke alamat 2, alamat register 1 (untuk 40002), dengan nilai 5.450 atau 154A heksadesimal. Bingkainya dalam heksadesimal 02 06 00 01 15 4A, diikuti CRC 57 5E (byte rendah dulu), dan jawaban normalnya gema bingkai yang sama. -T1 VFD membagi nilai itu dengan 200 dan menjalankan motor -M1 pada 27,25 Hz. Bila register ditulis ke alamat 2 karena salah membaca notasi 4xxxx, nilai jatuh ke register lain atau VFD membalas kode pengecualian 02.

Langkah 4: waktu transaksi dan kehilangan komunikasi. Pada 19.200 baud satu karakter 11 bit memerlukan $11/19\,200 = 0{,}573$ ms, sehingga bingkai 8 byte memerlukan 4,58 ms. Permintaan dan jawaban beserta dua jeda senyap 3,5 karakter (masing-masing 2,0 ms) memerlukan sekitar 13,2 ms, ditambah waktu tanggap VFD dari lembar datanya. Batas waktu tunggu jawaban (response time-out) di -K1 dipilih jauh di atas angka itu; spesifikasi Modbus menyebut nilai lazim 1 s sampai beberapa detik pada 9.600 baud. Bila jawaban tidak datang dalam batas waktu dan jumlah ulangan yang dikonfigurasi, PLC memicu alarm komunikasi, mematikan pemanas -E1 melalui keluaran dan kontaktornya sendiri, dan menghentikan tahap pemanasan. Linen panas yang tidak didinginkan dapat menyala sendiri, menurut bab pengeringan dan finishing pada rak Laundry, sehingga alarm itu juga meminta operator mengeluarkan dan menyebar linen.

-T1 VFD juga diberi pengawas komunikasi: bila tidak menerima permintaan dalam waktu yang disetel, VFD melapor gangguan dan bereaksi menurut pilihan yang ditetapkan dari analisis risiko: berhenti terkendali, memutus keluaran, atau berputar pada kecepatan tetap yang disetel untuk pendinginan. Pilihan "lanjut pada kecepatan terakhir" tidak dipakai, karena nilainya ditentukan kebetulan saat komunikasi putus. Referensi ditulis berulang dengan selang tetap, bukan hanya saat berubah, dan waktu pengawas disetel di atas selang itu ditambah ulangan; setelannya dibahas pada bab VFD: parameter dan komisioning. Pemanas yang tetap menyala ketika kipas berhenti adalah bahaya terbesar di sini, sehingga sakelar aliran udara dan pembatas suhu reset manual memutus kontaktor pemanas secara perangkat keras, tidak lewat Modbus. Perintah melalui jaringan juga tidak menggantikan stop darurat perangkat keras; penilaian fungsi-fungsi itu dibahas pada bab keselamatan fungsional mesin.

Contoh kerja lapangan

Contoh di bawah memakai rumus dan aturan bab ini; angka yang bukan dari sumber ditandai angka latihan. Pengukuran di panel yang berisi sirkit 230/400 V dikerjakan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD, atau setelah panel diisolasi.

Contoh 1: tekanan uap laundry rumah sakit pada modul 0 sampai 24 mA. Transmiter tekanan -B2 0 sampai 10 bar (angka latihan) tersambung ke modul ilustrasi kedua, sehingga 4 mA bercacah 4.000 dan 20 mA bercacah 20.000. Cacah 12.400 memberi

$$X = 0 + \frac{12\,400 - 4\,000}{20\,000 - 4\,000} \times (10 - 0) = 5{,}25\ \text{bar}$$

Cacah 20.700 (20,7 mA) jatuh di celah 20,5 sampai 21 mA, sehingga program memberi alarm di luar rentang dengan tunda singkat. Cacah 21.400 (21,4 mA) adalah sinyal kegagalan arah atas, misalnya kabel loop terhubung singkat: PV tidak sah, alarm alat ukur, dan PID ke manual dengan keluaran aman. Pemeriksaan NE 43 berjalan sebelum penskalaan.

Contoh 2: filter suhu air panas laundry hotel. Saluran suhu dicuplik di tugas siklik $T_\text{s} = 100$ ms dengan $T_\text{f} = 2$ s, lalu bacaannya melompat dari 60 °C ke 70 °C (angka latihan):

$$\alpha = \frac{0{,}1}{2 + 0{,}1} = 0{,}0476, \qquad Y_1 = 0{,}0476 \times 70 + 0{,}9524 \times 60 = 60{,}48\ ^\circ\text{C}$$

Keluaran filter baru mencapai sekitar 66,4 °C (63 % lompatan) setelah 21 siklus atau 2,1 s. Terhadap pemanasan air yang berlangsung menit (angka latihan), keterlambatan itu kecil.

Contoh 3: siklus Modbus RTU empat VFD pengering hotel. -K1 menulis referensi ke empat VFD dengan kode fungsi 06 pada 9.600 baud. Satu karakter 11 bit dan jeda senyap 3,5 karakter:

$$t_\text{kar} = \frac{11}{9\,600} = 1{,}146\ \text{ms}, \qquad t_\text{transaksi} = 2 \times 8 \times 1{,}146 + 2 \times 3{,}5 \times 1{,}146 = 26{,}4\ \text{ms}$$

Dengan waktu tanggap VFD 10 ms (angka latihan), satu transaksi 36,4 ms dan empat VFD sekitar 145 ms. Selang tulis 250 ms (angka latihan) cukup. Batas waktu tunggu jawaban di -K1 tetap jauh di atas 36 ms, dan pengawas komunikasi tiap VFD disetel di atas selang tulis ditambah waktu ulangan, sehingga satu jawaban yang hilang tidak langsung menghentikan pengering.

Contoh 4: resistansi terminasi bus RS-485 laundry hotel. Bus 300 m pada 19.200 baud memuat -K1 dan enam VFD (angka latihan): tujuh perangkat di bawah 32, dan $300 \times 19\,200 = 5{,}8 \times 10^6$, di bawah aturan praktis $10^8$. Dengan semua perangkat padam, resistansi D0-D1 terukur 40 Ω (angka latihan). Dua terminasi 120 Ω memberi 60 Ω, sedangkan tiga memberi

$$R = \left(\frac{3}{120}\right)^{-1} = 40\ \Omega$$

sehingga satu perangkat di tengah bus masih diterminasi; terminasi itu dilepas, dan hanya kedua ujung bus yang diterminasi. Tafsir ini berlaku untuk terminasi resistor murni, karena terminasi 120 Ω seri 1 nF tidak terbaca ohmmeter DC.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Resolusi tinggi selalu lebih baik." Resolusi modul hanya bermakna bila transmiter di lapangan memiliki akurasi yang sebanding. Transmiter suhu dengan akurasi ±0,5 °C pada rentang 0–150 °C, dengan aturan langkah tidak melebihi akurasi, hanya memerlukan $150/0{,}5 = 300$ tingkat, jauh di bawah kemampuan modul 12 bit. Modul 16 bit di sini tidak memperbaiki mutu kendali.

"Label A dan B RS-485 selalu cocok antarmerek." Standar dan spesifikasi Modbus menetapkan B lebih positif daripada A untuk biner 1, sedangkan banyak IC dan perangkat memakai penamaan terbalik. Menyambung A ke A dan B ke B antara dua merek membuat perangkat yang terbalik tidak pernah menjawab, atau seluruh bus diam bila yang terbalik adalah klien. Polaritas dicocokkan dari lembar data setiap perangkat dan ditandai jelas pada terminal -X1.

"Satu terminasi di ujung bus sudah cukup." Terminasi dipasang di dekat kedua ujung fisik kabel bus, bukan hanya di satu ujung, dan tidak di perangkat tengah; tiga atau empat terminasi paralel membebani pemancar melampaui beban uji 54 Ω standar. Pada bus pendek berkecepatan rendah pantulan sering tidak terasa, sehingga kesalahan baru muncul ketika kecepatan atau panjang bus dinaikkan.

"MV blok PID langsung sama dengan register VFD." Blok PID menghasilkan MV dalam persen atau satuan internal, sedangkan setiap VFD memiliki skala register frekuensinya sendiri, misalnya 10.000 = 50 Hz pada contoh. Tanpa konversi skala, motor berputar pada kecepatan salah atau VFD menolak nilai dengan kode pengecualian.

"Anti-windup otomatis aktif." Tidak semua blok PID mengaktifkan anti-windup secara bawaan. Parameter anti-windup dan batas keluarannya diverifikasi saat komisioning, terutama pada proses yang hanya dapat memanaskan; tanpanya, lewatan panjang muncul setelah acuan diubah atau setelah pemanasan awal.

Hubungan dengan bab lain

Masukan bab ini datang dari Bab 2 (pemetaan linear), bab sensor proses (NE 43), bab kalibrasi, dan bab loop kendali (arti P, I, D). Siklus scan, jenis tugas, dan interlock perangkat keras berasal dari bab relai pintar dan PLC, bab pemrograman PLC, dan bab kendali motor dengan PLC. Prinsip VFD, parameter reaksi putus komunikasi, dan kabelnya dibahas pada tiga bab VFD, dan penilaian fungsi keselamatan pada bab keselamatan fungsional mesin. Pencatatan setelan mengikuti Bab 52.

Latihan dan pembahasan

1. [Hitung] Modul analog 12 bit memetakan 4 mA ke cacah 0 dan 20 mA ke cacah 4.095 (ilustrasi). Transmiter -B1 memiliki rentang 0–200 °C. Modul melaporkan cacah mentah 2.048. Berapakah suhu dalam °C yang sesuai dengan cacah tersebut? Tuliskan rumus dan hitungannya.
2. [Hitung] -T1 VFD memakai skala register 0 = 0 Hz dan 20.000 = 60 Hz (ilustrasi). Blok PID menghasilkan referensi frekuensi 42 Hz. Berapakah nilai bilangan bulat yang ditulis -K1 PLC ke holding register VFD, dan apa yang terjadi bila PLC menghitung faktor skala lebih dulu dengan pembagian bilangan bulat?
3. [Hitung] Transmiter tekanan -B2 memiliki akurasi ±0,2 % rentang untuk 0–10 bar. Dengan aturan langkah kuantisasi tidak melebihi akurasi, tentukan jumlah tingkat dan jumlah bit minimum agar modul analog tidak menjadi faktor pembatas.
4. [Hitung dan tafsir] Filter PT1 dengan $T_\text{f} = 500$ ms dijalankan di tugas siklik $T_\text{s} = 10$ ms pada saluran suhu. Hitung $\alpha$, tuliskan persamaan filternya, dan nilai apakah filter ini lambat untuk loop suhu pengering yang konstanta waktunya puluhan detik.
5. [Tafsir] Saat komisioning, modul ilustrasi kedua (0–24 mA → cacah 0–24.000) terus melaporkan cacah 3.550 pada saluran -B1, padahal udara seharusnya sekitar 60 °C. Seorang teknisi menyimpulkan kabel -W1 putus. Apakah kesimpulan itu tepat? Apa yang diperiksa berikutnya, dan apa yang dilakukan program PLC?
6. [Tafsir] Jaringan RS-485 terdiri dari -K1 PLC (klien), -T1 VFD (alamat 1), dan -T2 VFD (alamat 2) pada satu kabel bus 80 m. Komunikasi ke -T2 sesekali gagal pada 38.400 baud tetapi selalu berhasil pada 9.600 baud. Sebutkan tiga kemungkinan penyebab dan cara membedakannya.

Kunci jawaban beralasan

1. $X = 0 + (2\,048/4\,095) \times 200 = 100{,}02$ °C. Cacah 2.048 hampir tepat di tengah rentang 12 bit (titik tengahnya 2.047,5), sehingga hasilnya hampir tepat setengah rentang transmiter. Jawaban ≈ 100 °C.
2. $N = 42 \times 20\,000/60 = 14\,000$, tepat bulat bila perkalian dikerjakan dulu. Bila faktor skala dihitung lebih dulu dengan pembagian bilangan bulat, $20\,000/60$ terpotong menjadi 333 dan hasilnya $42 \times 333 = 13\,986$, yaitu 41,96 Hz. Selisih 0,04 Hz kecil di sini, tetapi kebiasaan ini dapat menimbulkan galat besar pada skala lain; hitung dalam REAL atau kalikan sebelum membagi.
3. Langkah maksimum 0,2 % rentang, jadi jumlah tingkat $\ge 100/0{,}2 = 500$; $2^9 = 512$, jadi minimum 9 bit. Modul 12 bit jauh melampauinya, bahkan bila hanya 80 % cacahnya terpakai untuk 4–20 mA. Aturan ini asumsi editor, dan resolusi efektif modul nyata dibatasi deraunya, jadi margin dianjurkan.
4. $\alpha = 10/(500 + 10) = 0{,}0196$; $Y_k = 0{,}0196\,X_k + 0{,}9804\,Y_{k-1}$. Walaupun setiap siklus hanya mengambil 2 % sampel baru, konstanta waktunya hanya 0,5 s (sekitar 50 siklus mencapai 63 %). Terhadap proses dengan konstanta waktu puluhan detik, filter ini ringan dan tidak menambah keterlambatan berarti; ia meredam derau cepat dari VFD tanpa melambatkan loop.
5. Tidak tepat. Cacah 3.550 berarti 3,55 mA, di bawah 3,6 mA: sinyal kegagalan arah bawah menurut NE 43. Kabel putus memberi 0 mA (cacah 0); 3,55 mA berarti loop utuh dan transmiter hidup serta melaporkan kegagalan, paling sering pada sensor atau kawat sensornya, seperti tabel diagnosis bab sensor proses. Yang diperiksa berikutnya pesan diagnosis transmiter dan, setelah sirkit diisolasi, resistansi elemen sensor. Program menandai PV tidak sah, memicu alarm, memindah PID ke manual dengan keluaran aman, dan mematikan pemanas. Pengukuran arus di panel yang juga berisi sirkit 230/400 V hanya oleh personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD.
6. Pertama, bias tidak ada atau terminasi berlebih: dengan semua perangkat padam, resistansi D0-D1 diukur; dua terminasi 120 Ω memberi sekitar 60 Ω, dua 150 Ω sekitar 75 Ω, dan terminasi 120 Ω seri 1 nF tidak terbaca ohmmeter DC. Pantulan sendiri kecil pengaruhnya pada 80 m. Kedua, kabel dan cabang: kabel bukan pasangan terpilin, berkapasitansi tinggi, atau -T2 disambung lewat cabang panjang; panjang bus sendiri bukan penyebab, karena $80 \times 38\,400 = 3{,}1 \times 10^6$ jauh di bawah aturan praktis $10^8$ untuk hasil kali panjang (m) dan laju data (bit/s). Ketiga, pewaktuan: -T2 memerlukan waktu tanggap atau jeda yang lebih panjang daripada batas waktu tunggu klien pada kecepatan tinggi. Pembedanya penghitung diagnosis di PLC atau VFD: galat CRC dan paritas menunjuk ke sinyal (penyebab pertama dan kedua), sedangkan waktu habis tanpa galat CRC menunjuk ke pewaktuan atau alamat.

Referensi