Relai pintar dan PLC: arsitektur, siklus scan, dan pengawatan I/O

Di ruang mesin sebuah laundry komersial berkapasitas sedang, deretan mesin cuci dan pengering beroperasi hampir dua puluh jam sehari. Panel kendali di sudut ruangan dipenuhi relai elektromagnetik, relai waktu, dan kabel yang saling silang. Setiap kali urutan kerja berubah, misalnya menambah tahap bilas, teknisi harus mengubah pengawatan, mengganti relai waktu, dan menguji ulang seluruh rangkaian. Situasi seperti inilah yang mendorong pemakaian relai pintar dan PLC (programmable logic controller) bahkan di fasilitas skala menengah: perubahan logika cukup dilakukan lewat program, bukan lewat obeng dan tang.

Bab logika kendali dasar dan bab rangkaian kendali lanjutan mewujudkan logika melalui kontak fisik relai dan kontaktor. Di sini logika yang sama dipindahkan ke perangkat terprogram, dan yang diuraikan adalah perangkat keras, siklus scan, serta pengawatan modul dan catu 24 V DC. Cara menulis program dibahas pada bab pemrograman PLC, dan penerapan pada motor dengan interlock perangkat keras dibahas pada bab kendali motor dengan PLC.

Batas pembahasan

Cakupannya relai pintar (puluhan titik I/O) dan PLC modular kelas kecil sampai menengah yang lazim dipakai pada mesin laundry komersial dan mesin industri ringan. Tegangan kendali yang dibahas adalah 24 V DC; beban daya dan koil kontaktor dapat bertegangan 230 V AC. Jaringan industri (fieldbus, Ethernet industri), I/O analog, dan antarmuka operator dibahas pada bab PLC lanjutan; pemrograman berada di luar cakupan. Acuan standarnya IEC 61131-1:2003 (informasi umum: definisi dan karakteristik fungsional PLC) dan IEC 61131-2:2017 (persyaratan perlengkapan dan pengujian). Pengukuran pada terminal bertegangan yang disebut di sini hanya dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD; isolasi dan verifikasi bebas tegangan dibahas pada bab kerja aman.

Dari rangkaian kontak ke logika tersimpan

Pada rangkaian relai, setiap perubahan fungsi memerlukan perubahan pengawatan. Relai pintar (smart relay) mempertahankan bentuk fisik yang ringkas, yaitu satu modul selebar beberapa modul rel DIN, tetapi menyimpan logika di dalam memori yang dapat diprogram ulang tanpa menyentuh kabel. Satu keluarga relai pintar yang diuraikan buku ajar korpus tersedia dalam versi ringkas 10 sampai 20 titik I/O dan versi modular yang dapat diperluas sampai 40 titik, diprogram dengan diagram tangga atau FBD, dan dapat diberi modul komunikasi tambahan. Relai pintar sesuai untuk panel pompa, mesin pengering, dan sistem dosis kimia yang logikanya relatif tetap dan jumlah I/O-nya kecil.

PLC modular memakai arsitektur yang lebih terbuka: CPU dipasang terpisah dari modul I/O, dan modul-modul itu dapat dipilih serta ditambah sesuai kebutuhan. Jumlah I/O dapat mencapai ratusan titik pada satu rak modul (rack), dan CPU yang lebih kuat dapat menjalankan beberapa tugas dengan prioritas berbeda.

Keduanya menjalankan logika tersimpan dalam siklus scan. Sumber kerusakan yang umum justru pengawatan: sambungan common, catu, dan keluaran yang kelebihan beban.

Arsitektur perangkat keras: CPU, memori, catu, modul I/O, dan komunikasi

CPU (central processing unit) adalah inti relai pintar maupun PLC. CPU membaca status masukan, menjalankan instruksi program satu per satu, dan menentukan status keluaran. Pada relai pintar, CPU terintegrasi dalam satu modul bersama sejumlah I/O. Pada PLC modular, CPU merupakan modul tersendiri yang berkomunikasi dengan modul I/O melalui bus bidang belakang (backplane bus). Waktu per instruksi bit di lembar data ikut menentukan waktu scan.

Memori program (flash atau memori tak-mudah-hilang lain) menyimpan instruksi yang ditulis pemrogram; memori data (RAM) menyimpan status I/O, nilai variabel, status kontak internal, dan hasil hitungan selama sistem berjalan. Sebagian PLC memiliki cadangan baterai atau kapasitor untuk mempertahankan data saat catu terputus. Relai pintar dan PLC kompak ada yang dicatu 100–240 V AC dan ada yang 24 V DC; rak ini memakai versi 24 V DC.

Port komunikasi menghubungkan CPU ke perangkat pemrograman melalui USB atau serial, serta ke sistem supervisi atau I/O terdistribusi. Sebagian port diisolasi secara galvanis dari sirkit lapangan dan sebagian tidak; port tanpa isolasi lebih rentan terhadap lonjakan tegangan (surge) dari kabel panjang.

Siklus scan: mekanisme, waktu, dan akibatnya

Relai pintar dan PLC tidak bereaksi terhadap masukan secara langsung seperti rangkaian kontak. Keduanya bekerja dalam siklus berulang yang disebut siklus scan. Setiap siklus terdiri atas tiga fase utama yang dijalankan berurutan dan berulang selama perangkat dalam keadaan run: baca masukan, eksekusi program, tulis keluaran.

Pada fase pertama, CPU membaca status semua titik masukan dan menyalinnya ke area memori yang disebut tabel citra masukan (input image table). Selama program dieksekusi pada fase kedua, CPU memakai data dari tabel citra ini, bukan membaca langsung dari terminal, sehingga nilai masukan konsisten sepanjang satu siklus walaupun sinyal fisiknya berubah di tengah eksekusi. Pada fase ketiga, CPU menulis tabel citra keluaran ke terminal keluaran. Waktu total satu siklus disebut waktu scan (scan time); anak tangga program dievaluasi berurutan di dalamnya, seperti disinggung pada bab logika kendali dasar.

Waktu scan dipengaruhi panjang program, jumlah titik I/O, beban komunikasi latar, dan instruksi khusus seperti matematika dan PID, sehingga tidak tetap; perhitungan memakai nilai maksimum yang terukur di CPU. Satu buku ajar korpus menyebut waktu scan "umumnya 70 ms"; program kecil lazimnya selesai dalam beberapa milidetik.

Lebar pulsa minimum dan waktu tanggap

Masukan dicuplik sekali setiap siklus. Pulsa yang muncul dan hilang di antara dua pembacaan tidak pernah tersalin ke tabel citra. Penyaring masukan modul (input filter) juga menunda perubahan supaya pantulan kontak dan derau tidak terbaca. Dengan anggapan kasus terburuk, penyaring menunda tepi naik sebesar $t_\text{f}$ dan tidak memperpanjang tepi turun, sehingga pulsa pasti terbaca bila

$$t_\text{p,min} = t_\text{scan,maks} + t_\text{f}$$

dengan $t_\text{p,min}$ lebar pulsa minimum (ms), $t_\text{scan,maks}$ waktu scan maksimum terukur (ms), dan $t_\text{f}$ tunda penyaring masukan (ms, dari setelan atau lembar data modul). Jeda antara dua pulsa juga harus sekurangnya $t_\text{p,min}$ supaya keadaan 0 terbaca, sehingga frekuensi pulsa tertinggi yang pasti tercacah adalah $f_\text{maks} = 1/(2\,t_\text{p,min})$.

Perubahan sesaat setelah fase baca baru terbaca pada siklus berikutnya dan ditulis di akhir siklus itu. Waktu tanggap terburuk dari terminal masukan sampai kontak keluaran adalah

$$t_\text{tanggap,maks} = t_\text{f} + 2\,t_\text{scan,maks} + t_\text{out}$$

dengan $t_\text{out}$ waktu kerja keluaran (ms), misalnya waktu menutup relai keluaran menurut lembar data. Masukan interupsi dan tugas berperiode tetap berperilaku lain menurut lembar data.

Sebagai ilustrasi, CPU dengan $t_\text{scan,maks} = 20$ ms, penyaring 3 ms, dan relai keluaran 10 ms memberi $t_\text{p,min} = 20 + 3 = 23$ ms, $f_\text{maks} = 1/(2 \times 23\ \text{ms}) \approx 21{,}7$ Hz, dan waktu tanggap terburuk $3 + 2 \times 20 + 10 = 53$ ms. Aturan praktis "dua kali waktu scan" (40 ms) memberi cadangan bila hanya rata-rata yang diketahui, tetapi bukan jaminan. Sinyal yang lebih pendek ditangani dengan masukan pencacah cepat (satu relai pintar di korpus menyediakan pencacah sampai 1 kHz), masukan interupsi, fungsi penangkap pulsa (pulse catch) pada modul, atau perpanjangan pulsa secara perangkat keras.

Masukan DC dan keluaran relai, transistor, triac

Modul masukan DC relai pintar dan PLC menerima sinyal 24 V DC dari sensor atau sakelar. Istilah sink dan source, pasangan keluaran sensor PNP dan NPN dengan sambungan COM modul, serta tipe masukan 1, 2, dan 3 menurut IEC 61131-2 sudah diuraikan pada bab sensor diskret dan tidak diulang. Dua hal dipakai di sini: modul dengan COM ke 0 V (benam) berpasangan dengan sensor PNP, dan sensor dua kawat dicek terhadap batas arus OFF pada lembar data modul. Polaritas catu masukan yang menurut satu buku ajar korpus "boleh dibolak-balik" hanya berlaku untuk masukan dua arah.

Modul keluaran tersedia dalam tiga tipe utama; salah memilih tipe termasuk penyebab kerusakan modul yang sering ditemui.

Beban di atas kemampuan titik disakelar lewat relai antarmuka atau kontaktor. Kontak relai keluaran dipilih menurut kategori pemakaian beban sebenarnya, AC-15 untuk koil AC dan DC-13 untuk koil DC; rating resistif tidak berlaku untuk koil. Arus bocor triac saat padam dapat menahan koil kecil atau relai antarmuka, seperti arus diam sensor dua kawat.

Beberapa titik keluaran dalam satu modul berbagi satu terminal common. Semua titik dalam satu grup karena itu harus dicatu dari satu sumber yang sama: satu fasa AC, atau satu kutub +24 V. Satu PLC kompak di korpus membagi delapan keluaran relai menjadi empat grup (1, 1, 2, dan 4 titik). Menyambungkan dua sumber berbeda, misalnya dua fasa atau 230 V AC dan +24 V DC, ke terminal common yang di dalam modul tersambung akan menghubung-singkatkan kedua sumber, atau memasukkan 230 V ke sirkit 24 V yang diperlakukan sebagai PELV. Diagram pengawatan lembar data selalu dibaca sebelum mengawatkan.

Koil kontaktor, relai, dan katup solenoid menghasilkan lonjakan tegangan saat arusnya diputus, yang dapat merusak kontak relai atau semikonduktor keluaran. Untuk beban DC dipasang dioda peredam (freewheeling diode) paralel dengan koil, anode ke sisi 0 V dan katode ke sisi +24 V; untuk beban AC dipasang jaringan RC (snubber) atau varistor paralel dengan koil. Perbandingan jenis peredam ada di bab magnet dan induksi. Peredam adalah syarat pada setiap beban induktif, kecuali lembar data modul menyatakan peredam internalnya memadai untuk energi beban itu.

Catu daya 24 V DC: kapasitas, pengaman cabang, dan pembumian

Catu daya 24 V DC (kode -T1) mengubah tegangan jaringan 230 V AC menjadi 24 V DC untuk CPU, modul I/O, dan perangkat lapangan. Kemampuan arusnya harus mencukupi total beban ditambah cadangan; rak ini memakai cadangan 25 % sebagai praktik desain editor, bukan angka standar.

$$I_\text{total} = \sum_{i=1}^{n} I_i \qquad I_\text{catu} \ge 1{,}25\,I_\text{total}$$

dengan $I_i$ arus tiap komponen pada 24 V (A) dan $I_\text{catu}$ arus pengenal catu (A). Nilai maksimum lembar data dipakai. Tiga kelompok sering terlupa: arus semua titik masukan dalam keadaan ON, arus konsumsi sensor itu sendiri yang terpisah dari arus yang dialirkannya ke masukan, dan beban DC yang disakelar keluaran seperti katup dan lampu.

Sisi masukan catu (230 V AC) diproteksi pengaman arus lebih, misalnya MCB -F1. Sisi keluaran 24 V DC dibagi menjadi beberapa cabang dengan pengaman sendiri (-F2, -F3, dan seterusnya), misalnya satu cabang untuk CPU dan sensor dan satu cabang untuk beban keluaran. Pengaman cabang dipilih dari tiga syarat: arus pengenalnya di atas arus beban cabang, tidak melebihi kemampuan kabel dan batas sekering maksimum kontak yang dilindunginya, dan cukup kecil untuk diputus oleh arus yang benar-benar dapat diberikan catu.

Syarat ketiga paling sering terlewat. Catu daya mode sakelar membatasi arusnya sendiri saat hubung singkat, seperti diuraikan bab sirkit kendali, sehingga pengaman cabang yang arus putus seketikanya $I_\text{a}$ lebih besar daripada arus batas catu $I_\text{k,catu}$ tidak memutus dengan cepat; selama itu rel 24 V tertahan rendah dan CPU dapat mulai ulang. Syaratnya:

$$I_\text{k,catu} \ge I_\text{a}$$

dengan $I_\text{k,catu}$ arus keluaran yang dipertahankan catu saat hubung singkat (A, dari lembar data) dan $I_\text{a}$ arus yang memutus pengaman cabang secara seketika (A). Untuk MCB kurva B, ujung atas pita seketika IEC 60898-1 adalah 5 kali arus pengenal untuk AC. Kurva Z dan perilaku DC bukan dari IEC 60898-1: satu katalog pabrikan yang dicek editor (sekunder, ilustrasi) memberi kurva Z 2–3 kali arus pengenal mulai 0,5 A, kurva B mulai 6 A, dan faktor 1,5 untuk ambang elektromagnetik pada DC. Catu yang bekerja dalam mode putus-sambung (hiccup) saat hubung singkat mungkin tidak pernah memutus pengaman cabang, dan arus lonjak beban cabang saat dinyalakan harus di bawah ujung bawah pita seketika. Bila syarat tidak terpenuhi, dipilih catu lebih besar, pengaman cabang lebih kecil, atau pemutus elektronik rel 24 V.

Kutub 0 V catu dihubungkan ke konduktor proteksi di satu titik, biasanya di terminal -T1, sesuai rancangan terbumikan pada bab sirkit kendali; gangguan +24 V ke rangka menjadi hubung singkat, jadi syarat $I_\text{k,catu} \ge I_\text{a}$ berlaku juga untuk gangguan tanah. Sirkit terbumikan tidak mungkin SELV. Ia PELV hanya bila catu dan setiap perangkat yang menjembatani sisi 24 V dan 230 V, termasuk modul keluaran relai bergrup 230 V, dinyatakan pabrikan memberi pemisahan proteksi; bila tidak, sisi 24 V diperlakukan FELV, seperti pada bab komponen kendali dan bab transformator. Rel 0 V tidak dibumikan di titik kedua (lihat salah tafsir di bawah). Bila sensor dan PLC dicatu dari catu berbeda, 0 V keduanya disatukan dan dibumikan di satu titik saja. Dua catu 24 V DC hanya diparalel bila lembar datanya mengizinkan atau melalui modul redundansi berdioda.

Alokasi I/O, penandaan kabel, dan interlock perangkat keras

Daftar alokasi I/O adalah dokumen rekayasa yang memetakan setiap titik masukan dan keluaran fisik pada modul ke fungsi lapangannya. Dokumen ini dibuat sebelum pengawatan dan pemrograman; buku ajar PLC korpus menempatkannya sebagai langkah kedua desain program setelah identifikasi masalah. Isi yang lazim: alamat titik I/O, fungsi, kode referensi IEC 81346-2, jenis sinyal dan kontak (NO atau NC), nomor terminal, dan nomor kabel.

Kode referensi mengikuti konvensi rak: relai pintar atau PLC -K, kontaktor dan katup -Q, sekering dan MCB -F, tombol -S, sensor -B, lampu indikator -P, dan catu -T; buku ajar lama memakai K untuk kontaktor, H untuk lampu, dan S0 untuk stop darurat. Setiap kabel diberi nomor unik dengan penanda di kedua ujungnya. Warnanya tidak bebas: di panel mesin IEC 60204-1 menganjurkan biru untuk kendali DC, sedangkan di panel wilayah PUIL biru disisakan untuk netral, seperti diuraikan bab perakitan panel.

Fungsi tertentu tetap diwujudkan dengan perangkat keras walaupun ada PLC: stop darurat, interlock antara kontaktor maju dan mundur, dan pemutusan oleh relai beban lebih melalui kontak 95-96 yang seri dengan koil kontaktor. Program dapat berhenti karena kegagalan CPU atau memori, dan keluaran transistor dapat gagal terhubung singkat; fungsi perangkat keras tetap bekerja tanpa CPU. Menurut sumber sekunder, IEC 60204-1 9.4 meminta fungsi kendali tetap aman saat gangguan. PLC boleh menerima salinan informasinya, misalnya kontak 97-98 untuk alarm. Masukan stop operasional diawatkan dengan kontak NC, sehingga bernilai 1 dalam keadaan normal dan kabel putus dibaca sebagai perintah berhenti; perilaku saat STOP, saat suplai kembali, dan saat masukan putus dibahas pada bab kendali motor dengan PLC.

Contoh kerja: dari rangkaian kontak ke relai pintar, sampai alokasi I/O mesin 10 masukan dan 6 keluaran

Bagian A: dua pompa bergantian

Sistem dosis kimia di laundry komersial memakai dua pompa yang bekerja bergantian untuk meratakan jam kerja: pompa pertama bekerja pada siklus ganjil, pompa kedua pada siklus genap, dan pompa lain masuk bila pompa giliran trip. Pola giliran kerja ini dan perangkat kontaknya ada di bab rangkaian kendali lanjutan. Di relai pintar -K1, pencacah giliran dan logika pengganti menjadi program.

Langkah 1: hitung I/O. Empat masukan dan dua keluaran muat pada relai pintar ringkas terkecil di korpus (6 masukan, 4 keluaran relai).

Langkah 2: tetapkan yang tetap perangkat keras. Pemutusan tidak boleh bergantung pada program, jadi kontak 95-96 -F1 dan -F2 tetap seri dengan koil -Q1 dan -Q2, dan stop darurat -S3 memutus kedua koil langsung di luar -K1. I3 dan I4 hanya memberi tahu program bahwa pompa giliran trip supaya pompa lain masuk.

Langkah 3: periksa arah gagal. -S2 disambung NC sehingga kabel putus menghentikan pompa. Kabel putus pada I3 atau I4 tidak mengurangi keselamatan karena pemutusan dilakukan 95-96, tetapi pompa pengganti tidak lagi masuk saat trip; kegagalan tersembunyi itu dicari pada uji fungsi berkala.

Bagian B: mesin 10 masukan dan 6 keluaran

Mesin industri ringan memiliki 10 masukan diskret dan 6 keluaran: motor 1 dua arah, motor 2 satu arah, katup solenoid pengisian 24 V DC 8 W (sama dengan latihan di bab magnet dan induksi) serta dua lampu indikator 24 V. Data arus ilustrasi; tiap sensor PNP berkonsumsi 15 mA. Modul masukan dimodelkan 4,7 kΩ seperti ilustrasi bab sensor diskret, sehingga arus satu masukan ON adalah $24/4\,700 = 5{,}11$ mA.

Langkah 1: bagi grup common. Satu grup satu sumber: Q1 sampai Q3 menyakelar koil 230 V dan Q4 sampai Q6 beban 24 V DC, jadi diperlukan sekurangnya dua grup. Common grup 1 dicatu dari trafo kendali 230 V (-T2:X1, bab sirkit kendali) melalui MCB -F4, common grup 2 dari +24 V melalui -F3. Kontak relai Q4 dicek terhadap rating DC-13 untuk 333 mA, dan katup diberi dioda peredam. -Q1 dan -Q2 tetap saling mengunci dengan kontak bantu NC, 95-96 -F5 dan -F6 seri dengan koil, dan stop darurat memutus koil di luar PLC.

Langkah 2: jumlahkan arus per cabang. Cabang -F2 mencatu CPU, masukan, dan sensor; arus CPU termasuk koil relai keluaran internal diambil 150 mA dari lembar data (ilustrasi). Cabang -F3 mencatu beban keluaran 24 V.

$$I_\text{F2} = 150 + 10 \times 5{,}11 + 5 \times 15 = 276{,}1\ \text{mA}$$$$I_\text{F3} = \frac{8}{24} \times 1\,000 + 2 \times 20 = 373{,}3\ \text{mA}$$

Langkah 3: arus pengenal catu. Cadangan 25 % di atas beban terburuk, semua titik ON.

$$I_\text{total} = 276{,}1 + 373{,}3 = 649{,}4\ \text{mA}, \qquad I_\text{catu} \ge 1{,}25 \times 649{,}4 = 812\ \text{mA}$$

Pilihan catu (ilustrasi) 1,3 A dan 2,5 A, keduanya mempertahankan 1,5 kali arus pengenal saat hubung singkat; dari syarat beban, 1,3 A sudah cukup.

Langkah 4: pilih pengaman cabang. Arus pengenalnya di atas beban cabang, dan arus batas catu harus memutusnya seketika. MCB kurva Z 0,5 A untuk -F2 dan -F3 memenuhi beban (276 mA dan 373 mA, yang terbesar 75 % arus pengenal). Dengan ujung atas 3 kali arus pengenal dan faktor DC 1,5 dari katalog tadi (ilustrasi), $I_\text{a} = 3 \times 1{,}5 \times 0{,}5 = 2{,}25$ A. Catu 1,3 A hanya memberi $1{,}5 \times 1{,}3 = 1{,}95$ A dan tidak menjamin pemutusan seketika, sedangkan catu 2,5 A memberi 3,75 A. Dipilih catu 2,5 A. MCB Z 1 A ($I_\text{a} = 4{,}5$ A) tidak diputus seketika oleh kedua catu dan bergantung pada pelepas termal yang lambat. Sekering 1 A "agar catu 1 A terlindungi" keliru karena alasan yang sama: sekering keluaran melindungi kabel dan kontak.

Contoh kerja lapangan

Contoh di bawah memakai rumus dan aturan bab ini; angka yang bukan dari sumber ditandai angka latihan, dan hitungannya dicatat di peta sumber pengembangan.

Contoh 1: meter air berpulsa di laundry rumah sakit. PLC dengan $t_\text{scan,maks} = 30$ ms dan penyaring 3 ms menghitung pulsa meter air pada aliran puncak 120 L/min (angka latihan):

$$t_\text{p,min} = 30 + 3 = 33\ \text{ms}, \qquad f_\text{maks} = \frac{1}{2 \times 33\ \text{ms}} \approx 15{,}2\ \text{Hz}$$

Meter 0,5 L per pulsa memberi 4 Hz, aman. Meter pengganti 0,1 L per pulsa memberi 20 Hz, dengan pulsa sekitar 25 ms bila nyala dan padamnya sama panjang (angka latihan), jadi sebagian pulsa hilang dan volume terbaca terlalu kecil. Meter itu disambung ke masukan pencacah cepat.

Contoh 2: waktu tanggap konveyor linen hotel. Sensor posisi akhir konveyor kantong linen yang bergerak 0,5 m/s masuk ke PLC dengan $t_\text{scan,maks} = 35$ ms saat komunikasi sibuk, penyaring 3 ms, dan relai keluaran 10 ms (angka latihan):

$$t_\text{tanggap,maks} = 3 + 2 \times 35 + 10 = 83\ \text{ms}$$

Selama itu kantong bergerak sekitar 4,2 cm sebelum kontaktor mulai lepas. Sensor dipasang lebih awal sejauh itu ditambah jarak luncur motor yang diukur terpisah, sedangkan stop darurat tetap memutus koil di luar PLC.

Contoh 3: umur relai keluaran untuk katup dosis. Katup dosis kimia 24 V DC di laundry hotel disakelar 60 kali per jam selama 20 jam sehari (angka latihan) oleh keluaran relai berumur listrik 100.000 operasi (ilustrasi bab):

$$\frac{100\,000}{60 \times 20} \approx 83\ \text{hari}$$

Kontak relai habis dalam kurang dari tiga bulan. Katup dipindah ke keluaran transistor dengan dioda peredam terpasang di koil.

Contoh 4: membagi grup common di panel ventilasi dapur hotel. Modul kompak dengan delapan keluaran relai bergrup 1, 1, 2, dan 4 titik seperti di korpus harus menyakelar tiga koil kontaktor 230 V AC, dua katup 24 V DC, dan satu lampu 24 V DC. Grup 4 titik menerima ketiga kontaktor dari MCB 230 V, dengan satu titik cadangan yang hanya boleh untuk beban 230 V. Grup 2 titik menerima kedua katup dan satu grup 1 titik menerima lampu, keduanya dari +24 V melalui pengaman cabang yang sama. Satu grup 1 titik tersisa sebagai cadangan, sehingga 6 dari 8 titik terpakai tanpa mencampur sumber.

Kondisi berhenti

Mesin tidak dijalankan, atau pekerjaan dihentikan, bila:

1. Stop darurat, interlock maju-mundur, atau pemutusan relai beban lebih hanya ada di program. Aktuator tidak diberi energi sampai fungsi itu diwujudkan perangkat keras.
2. Satu grup common keluaran ditemukan tersambung ke dua sumber berbeda, atau 230 V terukur pada kabel yang ditandai sirkit 24 V. Panel diisolasi sampai pengawatan dipisah.
3. Masukan atau keluaran dipaksa (force), program diubah secara daring, atau PLC dipindah ke run pada mesin yang bagian bergeraknya dapat dijangkau orang. Silabus korpus melatih pemaksaan I/O, tetapi di mesin nyata langkah itu menyalakan aktuator tanpa syarat program; lakukan hanya dengan izin, area bebas orang, dan pemutusan perangkat keras siap.
4. CPU mulai ulang berulang atau rel 24 V turun saat keluaran bekerja. Perilaku keluaran saat CPU mulai ulang belum tentu aman, jadi beban catu dan pengaman cabang diperiksa dulu.
5. Terminal keluaran relai akan disentuh tanpa mengisolasi sumber common-nya. PLC yang dicatu 24 V dapat membawa 230 V di grup lain; isolasi mengikuti bab kerja aman.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Deteksi tepi (edge detection) di program menangkap tombol atau pulsa yang singkat." Instruksi deteksi tepi membaca tabel citra, jadi pulsa yang tidak pernah tercuplik juga tidak pernah menjadi tepi. Yang menolong adalah masukan cepat, penangkap pulsa, interupsi, atau waktu scan yang lebih pendek.

"Satu grup common boleh menyakelar beban 24 V DC dan 230 V AC sekaligus." Satu common hanya dapat dicatu satu sumber. Mencampur keduanya menghubung-singkatkan sumber atau memasukkan 230 V ke sirkit 24 V.

"Keluaran relai tahan selamanya." Umur listrik relai keluaran jauh lebih kecil daripada umur mekanisnya, dan beban induktif tanpa peredam memperpendeknya lagi. Umur listrik 100.000 operasi (ilustrasi) pada katup yang disakelar 300 kali per jam selama 20 jam sehari habis dalam $100\,000/(300 \times 20) \approx 17$ hari. Beban DC yang sering disakelar dipindah ke keluaran transistor, beban AC ke triac atau SSR.

"0 V dibumikan di setiap panel dan kotak sensor supaya aman." Pembumian di banyak titik membentuk lingkar bumi (ground loop): sebagian arus konduktor proteksi, misalnya arus bocor VFD, mengalir lewat konduktor 0 V dan mengganggu sinyal analog, dan hubungan 0 V ke PE tidak lagi dapat dilepas di satu tempat untuk uji resistansi isolasi.

Hubungan dengan bab lain

Bab 1 memberi hukum Ohm dan daya untuk arus masukan, katup, dan catu; Bab 2 memberi sensor, relai, dan kontak NO/NC; Bab 52 memberi rangkaian motor, dokumen, dan komisioning. Logikanya berasal dari bab logika kendali dasar dan rangkaian kendali lanjutan, rincian pengawatannya dari bab sensor diskret, sirkit kendali, komponen kendali, magnet dan induksi, dan perakitan panel. Program, penerapan pada motor, serta I/O analog dan komunikasi dibahas pada bab pemrograman PLC, bab kendali motor dengan PLC, dan bab PLC lanjutan.

Latihan dan pembahasan

1. (Hitung) PLC memiliki waktu scan maksimum terukur 15 ms dan penyaring masukan 3 ms. Sensor aliran menghasilkan pulsa selebar 12 ms. Apakah pulsa ini pasti terbaca? Hitung lebar pulsa minimum dan, dengan waktu scan dianggap tetap, peluang pulsa terbaca.
2. (Tafsir) Seorang teknisi memasang modul keluaran transistor PNP untuk menggerakkan koil kontaktor 230 V AC. Setelah sistem dinyalakan, modul langsung rusak. Jelaskan penyebabnya dan tipe keluaran yang seharusnya dipilih.
3. (Hitung) Satu catu 24 V DC mencatu CPU dan modul I/O (200 mA), 8 sensor PNP masing-masing berkonsumsi 10 mA dan mengalirkan 5 mA ke masukan, 3 lampu masing-masing 30 mA, dan 2 katup solenoid masing-masing 80 mA. Lampu dan katup di cabang tersendiri. Pilihan catu 1,3 A dan 2,5 A, keduanya mempertahankan 1,5 kali arus pengenal saat hubung singkat; pengaman cabang MCB kurva Z 0,5 A dengan $I_\text{a} = 4{,}5\,I_\text{n}$ pada DC (ilustrasi). Hitung arus catu minimum dan pilih catu.
4. (Tafsir) Sistem kadang tidak merespons penekanan tombol yang singkat walaupun sakelarnya baik. Waktu scan rata-rata PLC 25 ms dan penyaring 3 ms. Apa penyebab yang paling mungkin, apa yang diperiksa lebih dulu, dan dua solusi apa yang benar?
5. (Rancang) Mesin cuci industri memerlukan: 1 tombol start, 1 tombol stop, 2 sensor level (tinggi dan rendah), 1 sensor suhu (diskret, kontak NC yang membuka saat suhu lebih), 1 motor drum, 1 motor pompa buang, 1 katup masuk air, 1 katup buang, dan 1 lampu gangguan 24 V. Kontaktor dan katup berkoil 230 V AC. Susun tabel alokasi I/O dengan kode IEC 81346-2 dan tentukan grup common.
6. (Tafsir) Seorang insinyur muda mengusulkan tombol stop darurat cukup diprogram sebagai kontak NC di dalam PLC untuk menghemat kabel. Berikan dua alasan teknis mengapa usulan ini ditolak dan jelaskan cara yang benar.

Kunci jawaban beralasan

1. $t_\text{p,min} = 15 + 3 = 18$ ms. Pulsa 12 ms lebih pendek, jadi tidak pasti terbaca. Setelah penyaring, lebar efektif kasus terburuk $12 - 3 = 9$ ms; dengan pencuplikan setiap 15 ms, pulsa tercuplik bila salah satu pembacaan jatuh di jendela 9 ms, peluangnya $9/15 = 60$ %. Solusinya masukan pencacah cepat, penangkap pulsa, atau interupsi; deteksi tepi di program tidak menolong.
2. Keluaran transistor hanya untuk DC bertegangan rendah. Tegangan balik pada setengah siklus negatif dan puncak sekitar 325 V jauh di atas ratingnya. Yang seharusnya dipilih adalah keluaran relai dengan rating AC-15 yang cukup, atau triac dengan memperhatikan arus bocornya; koil yang terlalu besar disakelar lewat relai antarmuka.
3. $I_\text{total} = 200 + 8 \times (10 + 5) + 3 \times 30 + 2 \times 80 = 570$ mA; $I_\text{catu} \ge 1{,}25 \times 570 = 712{,}5$ mA. Cabang CPU dan sensor 320 mA, cabang lampu dan katup 250 mA, keduanya di bawah 0,5 A. $I_\text{a} = 4{,}5 \times 0{,}5 = 2{,}25$ A. Catu 1,3 A memberi 1,95 A saat hubung singkat, di bawah 2,25 A, jadi MCB cabang tidak dijamin putus seketika. Catu 2,5 A memberi 3,75 A dan dipilih walaupun beban hanya 0,71 A.
4. Penyebab yang paling mungkin: penekanan lebih pendek dari $t_\text{scan,maks} + t_\text{f}$. Yang diperiksa lebih dulu adalah waktu scan maksimum, bukan rata-rata, karena komunikasi atau cabang program dapat membuatnya jauh di atas 25 ms; dengan rata-rata saja batasnya sudah $25 + 3 = 28$ ms. Solusi yang benar: memendekkan waktu scan maksimum atau memindahkan tugas berat ke tugas lain, dan memakai masukan interupsi atau fungsi penangkap pulsa.
5. Masukan: I1 -S1 start (NO); I2 -S2 stop (NC); I3 -B1 level tinggi (PNP); I4 -B2 level rendah (PNP); I5 -B3 sensor suhu (NC, kabel putus terbaca suhu lebih). Keluaran: Q1 -Q1 kontaktor motor drum -M1; Q2 -Q2 kontaktor pompa buang -M2; Q3 -Q3 katup masuk air; Q4 -Q4 katup buang; Q5 -P1 lampu gangguan. Q1 sampai Q4 satu grup 230 V AC, Q5 di grup lain dari +24 V; bila modul hanya punya satu grup, lampu dipilih 230 V. Bila sensor suhu berfungsi sebagai pembatas keselamatan pemanas, kontaknya seri dengan koil kontaktor pemanas dan PLC hanya menerima salinannya.
6. Pertama, bila CPU atau memori gagal atau program diubah, kontak NC di program tidak dieksekusi dan perintah berhenti hilang tanpa terlihat. Kedua, keluaran transistor yang gagal terhubung singkat tetap mencatu aktuator apa pun isi program, dan waktu tanggapnya bergantung pada siklus scan. Cara yang benar: kontak NC pembuka paksa memutus koil kontaktor atau masukan relai keselamatan langsung, kategori stop 0 atau 1 sesuai bab tombol dan stop darurat; PLC hanya menerima salinan status.

Referensi