Sensor diskret: proximity, fotolistrik, sakelar batas, dan pengawatan PNP/NPN

Di ruang mesin sebuah laundry komersial, mesin cuci pengisian depan tidak mau memulai siklus setelah sensor pintunya diganti. Teknisi memeriksa PLC dan menemukan lampu indikator masukan untuk sensor pintu tidak menyala, padahal pintu tertutup rapat dan lampu pada badan sensor menyala. Setelah ditelusuri, sensor pengganti bertipe keluaran NPN, sedangkan modul masukan PLC mesin itu disambung dengan terminal bersama (COM) ke 0 V dan hanya dapat membaca sensor PNP. Kesalahan pengawatan yang sederhana ini menghentikan produksi selama dua jam. Masalahnya bukan sensor yang rumit, melainkan tipe keluaran dan logika pengawatan yang tidak diperiksa sebelum sensor dipesan.

Bab 2 membahas prinsip sensor, sinyal, ambang, dan kontak NO/NC. Cara PLC membaca masukan dalam siklus scan dibahas pada bab relai pintar dan PLC. Bagian ini berfokus pada hal yang sering menjadi sumber masalah di lapangan: memilih, memasang, dan mengawat sensor industri ke relai dan masukan PLC, termasuk menghitung kecocokan tegangan dan arus, memilih sensor untuk lingkungan basah dan panas, serta memahami mengapa sakelar pada fungsi keselamatan memerlukan kontak pembuka paksa.

Batas pembahasan

Yang dibahas adalah sensor diskret, yaitu sensor yang keluarannya hanya mengenal dua keadaan: aktif atau tidak aktif. Jenisnya meliputi sakelar batas mekanis, sensor proximity induktif dan kapasitif, serta sensor fotolistrik. Sakelar proses (pelampung, termostat, sakelar tekanan) ada di bab kendali pompa, pemanas, dan proses; sensor analog, transmiter, dan loop 4–20 mA dibahas pada bab sensor proses dan transmiter; sinyal yang lebih singkat dari waktu scan dibahas pada bab relai pintar dan PLC. Tegangan kendali yang dipakai sepanjang bab adalah 24 V DC, yang umum pada mesin industri ringan dan laundry komersial; suplai, proteksi, dan pembumian sirkit kendali itu ada di bab sirkit kendali.

Tiga standar menjadi acuan. IEC 60947-5-2:2019 (edisi 4.0) mengatur sakelar proximity induktif, kapasitif, ultrasonik, fotolistrik, dan magnetik. IEC 61131-2:2017 menetapkan persyaratan perangkat keras PLC, termasuk tipe masukan digital 1, 2, dan 3. IEC 60947-5-1:2024 mengatur perangkat kendali elektromekanis seperti sakelar batas, termasuk kontak pembuka paksa. Rancangan fungsi keselamatan pintu dan tingkat kinerja dibahas pada bab keselamatan fungsional mesin. Pengukuran pada sirkit bertegangan yang disebut di sini hanya dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD; isolasi dan verifikasi bebas tegangan mengikuti Bab 2 · Keselamatan.

Sakelar batas mekanis dan kontak pembuka paksa

Sakelar batas mekanis (limit switch) adalah perangkat elektromekanis yang mengubah posisi fisik suatu benda menjadi keadaan kontak. Aktuatornya berupa rol, tuas, atau pasak yang ditekan oleh benda yang bergerak, lalu kontak di dalam sakelar berpindah posisi. Buku ajar kontrol motor korpus menggambarkannya sebagai tuas yang diputar oleh gerak mekanis sehingga kontak berubah posisi, dengan contoh penghenti motor penggerak pada pemisah. Pada mesin cuci komersial, sakelar batas dipakai untuk posisi akhir mekanisme, tutup panel, atau posisi pintu.

Pada sakelar batas biasa, kontak NC dibuka oleh mekanisme pegas ketika aktuator ditekan. Bila pegas patah, atau titik kontak lengket dan sedikit terlas karena arus berlebih, kontak dapat tetap tertutup walaupun aktuator sudah bergerak penuh; pada fungsi penghenti keadaan itu berbahaya karena tidak terlihat. Kontak pembuka paksa (direct opening action, positive opening) menurut IEC 60947-5-1 Lampiran K terpisah sebagai akibat langsung gerak aktuator melalui bagian yang tidak lentur, jadi tidak bergantung pada pegas. Definisi, tanda panah dalam lingkaran, dan pemakaiannya pada tombol stop darurat sudah dibahas di bab tombol, lampu indikator, dan stop darurat. Tidak semua kontak NC adalah pembuka paksa; sifat itu harus dinyatakan pabrikan.

IEC 60947-5-1 mengatur konstruksi dan uji kontak pembuka paksa, bukan kewajiban memakainya pada mesin tertentu. Kewajiban memakai gawai interlock yang sesuai berasal dari standar keselamatan mesin: ISO 14119:2024 mengatur prinsip rancangan dan pemilihan gawai interlock pada pelindung (guard). Cara sakelar dipasang ikut menentukan: sakelar tunggal harus digerakkan pelindung secara langsung (mode positif) sehingga kontak NC terbuka paksa, tidak cukup dengan melepaskan aktuator ke pegasnya; sakelar kedua bermode pegas (mode negatif) hanya boleh menjadi saluran pelengkap di samping sakelar bermode positif. Sensor proximity atau fotolistrik standar tidak boleh menggantikan sakelar berkontak pembuka paksa pada fungsi keselamatan pintu, karena kegagalan keluaran transistornya (tembus, tetap menghantar) tidak terdeteksi. ISO 14119 memang mengenal gawai tanpa sentuh bersandi dan tanpa sandi (induktif, magnetik, optik, RFID), tetapi yang dimaksud adalah gawai keselamatan dengan perilaku gagal yang ditetapkan menurut IEC 60947-5-3, dipasang bersama unit pemantau keselamatan, bukan sensor otomasi biasa.

Urutan pemilihannya dimulai dari fungsi: sensor untuk kendali biasa, misalnya menghitung atau memberi tahu PLC, atau gawai untuk fungsi keselamatan. Untuk fungsi keselamatan, gawai dipilih dengan kontak pembuka paksa atau sebagai gawai keselamatan tanpa sentuh, lalu IP dan rentang suhunya dicocokkan dengan lingkungan. Dalam kode referensi IEC 81346-2, sakelar batas dan sensor diberi huruf kelas B: -B1, -B2, dan seterusnya. Kontak digambar pada keadaan acuan menurut bab diagram kendali, dan jenis aksi kontak (pembuka paksa atau biasa) dicantumkan dalam dokumentasi teknis.

Proximity induktif dan kapasitif

Sensor proximity induktif mendeteksi benda logam tanpa sentuhan fisik. Osilator frekuensi tinggi di dalamnya membangkitkan medan elektromagnetik di muka sensor. Ketika benda logam memasuki medan, arus pusar (eddy current) di benda itu menyerap energi dan meredam osilasi, dan perubahan amplitudo ini diubah menjadi keluaran diskret. Karena tidak ada bagian yang bergerak dan mukanya dapat dibuat dari bahan tahan korosi, sensor ini andal di lingkungan berdebu, berminyak, dan basah.

IEC 60947-5-2 membedakan beberapa jarak kerja. Jarak kerja pengenal $S_\text{n}$ adalah angka nominal pabrikan yang diukur dengan target standar: pelat baja persegi tebal 1 mm (misalnya Fe 360) dengan sisi sama dengan diameter muka aktif atau tiga kali $S_\text{n}$, mana yang lebih besar. Jarak kerja nyata satu unit boleh 0,9 sampai 1,1 kali $S_\text{n}$, dan setelah memperhitungkan suhu dan tegangan catu tersisa jarak kerja terjamin $S_\text{a}$, yaitu jarak yang pasti mendeteksi target standar: $0 \le S_\text{a} \le 0{,}81\,S_\text{n}$. Jarak pasang dirancang terhadap $S_\text{a}$, bukan terhadap $S_\text{n}$.

Bahan target mengubah jarak deteksi. Faktor koreksi bahan $f$ mengalikan jarak untuk baja:

$$S_\text{a,bahan} = 0{,}81\,f\,S_\text{n}$$

dengan $S_\text{n}$ jarak kerja pengenal (mm), $f$ faktor koreksi bahan (tanpa satuan, 1 untuk baja), dan $S_\text{a,bahan}$ jarak kerja terjamin untuk bahan itu (mm). Asumsinya target cukup besar dan tebal seperti target standar; target yang lebih kecil atau lebih tipis memperpendek jarak lagi. Dua katalog pabrikan yang dicek editor memberi angka yang tidak sama, sehingga angka tabel tidak boleh dipakai sebagai nilai umum:

Sumber katalog ada di peta sumber. Rentang baja tahan karat lebar karena paduan austenitik yang tidak magnetik bereaksi berbeda dari paduan feritik. Untuk desain dipakai nilai lembar data sensor yang dipasang; bila hanya rentang yang tersedia, pakai ujung bawahnya. Tersedia juga sensor "faktor 1" yang jaraknya hampir sama untuk semua logam.

Sensor proximity kapasitif mengukur perubahan kapasitansi antara elektrode sensor dan benda di depannya. Karena kapasitansi bergantung pada permitivitas bahan, sensor ini juga mendeteksi plastik, cairan, dan kertas. Di laundry komersial, sensor kapasitif dipakai untuk mendeteksi level cairan dalam tangki atau jeriken kimia melalui dinding plastik yang tidak terlalu tebal. Jaraknya umumnya lebih pendek dari sensor induktif, dan sensitivitasnya dapat disetel dengan potensiometer atau tombol ajar pada badan sensor.

Pada sensor kapasitif, kondensasi dan kontaminasi permukaan perlu diwaspadai. Tetesan air atau lapisan deterjen di muka sensor mengubah kapasitansi dan dapat memicu deteksi palsu. Jarak pasang, arah muka sensor (tidak menghadap ke atas tempat air menggenang), dan setelan sensitivitas karena itu dipilih bersama dengan IP.

Sensor fotolistrik: sinar tembus, pantul, dan difus

Sensor fotolistrik memakai cahaya, umumnya inframerah atau merah tampak. Tiga prinsip kerjanya menentukan cara pemasangan dan keandalannya.

Pada sinar tembus (through-beam), pemancar dan penerima dipasang berhadapan di dua sisi jalur deteksi, dan benda terdeteksi ketika memotong berkas. Jaraknya paling panjang dan paling tahan debu ringan karena cahaya langsung, tetapi kedua sisi perlu kabel. Pada pantul cermin (retro-reflective), pemancar dan penerima ada dalam satu rumahan dan cahaya dikembalikan oleh reflektor prismatik; benda terdeteksi ketika memotong berkas antara sensor dan reflektor. Benda mengilap dapat memantulkan cahaya sendiri sehingga tidak terdeteksi; untuk itu tersedia varian dengan filter polarisasi. Pada difus (diffuse), cahaya dipantulkan permukaan benda itu sendiri, sehingga jaraknya lebih pendek dan bergantung pada warna dan kilap permukaan; permukaan gelap dan kusam memperpendek jarak, dan varian penekan latar (background suppression) mengatasi latar belakang yang lebih terang dari benda. IEC 60947-5-2:2019 menambahkan definisi untuk varian penekan latar ini.

Sensor fotolistrik umumnya dapat disetel mode terang (light-on, keluaran aktif saat menerima cahaya) atau mode gelap (dark-on, aktif saat cahaya terhalang). Pilihannya menentukan keadaan keluaran bila lensa kotor atau pemancar mati, jadi ikut menentukan apakah kegagalan terlihat. Di laundry, uap air dan partikel deterjen melemahkan berkas: lensa sinar tembus perlu dibersihkan berkala, dan pada pantul cermin, reflektor yang kotor adalah penyebab umum hilangnya deteksi.

Keluaran PNP dan NPN: sumber dan benam

Sensor elektronik tiga kawat memakai transistor sebagai elemen keluaran, bukan kontak mekanis. Konfigurasi transistornya menentukan arah arus dari dan ke sensor. Warna kawat sensor berkabel mengikuti IEC 60947-5-2: cokelat untuk +24 V, biru untuk 0 V, hitam untuk keluaran, dan putih untuk keluaran kedua bila ada.

Keluaran PNP (sumber, source). Transistor PNP menyakelar sisi positif, di antara +24 V dan kawat hitam. Saat sensor aktif, arus mengalir dari +24 V melalui transistor ke kawat hitam, lalu melalui beban (masukan PLC atau koil relai) kembali ke 0 V. Pasangannya adalah masukan benam (sink): terminal masukan disambung ke kawat hitam dan COM modul masukan ke 0 V.

Keluaran NPN (benam, sink). Transistor NPN menyakelar sisi negatif, di antara kawat hitam dan 0 V. Saat sensor aktif, arus mengalir dari +24 V melalui beban ke kawat hitam, lalu melalui transistor ke 0 V. Pasangannya adalah masukan sumber (source): terminal masukan disambung ke kawat hitam dan COM modul masukan ke +24 V.

Cara mengingatnya: PNP memberi arus ke beban, NPN menarik arus dari beban. Kawat cokelat dan biru selalu ke +24 V dan 0 V; yang berbeda hanya ujung COM modul masukan atau ujung koil relai. Bila tipe sensor dan masukan tidak cocok, kedua ujung masukan berada pada potensial yang sama saat sensor aktif, sehingga tidak ada arus dan sinyal tidak terbaca. Keluaran sensor biasanya tidak rusak oleh ketidakcocokan ini; yang merusak adalah keluaran yang disambung langsung ke rel catu tanpa beban, walaupun banyak sensor memiliki proteksi hubung pendek. Ketika sensor dan PLC dicatu dari catu daya berbeda, 0 V keduanya harus disatukan, sebab arus keluaran PNP kembali melalui 0 V modul.

Istilah sink dan source pada modul PLC tidak seragam antarpabrikan: ada yang menamai masukan menurut arah arus di terminal masukan, ada yang menurut sensor yang cocok. Karena itu yang diperiksa adalah sambungan COM dan arah arus pada diagram lembar data, bukan labelnya. Beberapa modul dapat dipakai dua arah dengan memindahkan sambungan COM, dan semua masukan dalam satu kelompok COM harus bertipe sama. Di dalam modul, masukan biasanya berupa resistor dan optokopler dengan penyaring, sehingga masukan tampak sebagai beban beberapa kiloohm dan pantulan kontak disaring; silabus korpus melatih pengubah sinyal tombol ke logika dengan optokopler dan penyaring pantulan (contact bounce) dengan tujuan yang sama.

Sensor juga dapat langsung menyakelar koil relai 24 V DC, misalnya untuk menggerakkan beban yang arusnya melebihi kemampuan keluaran sensor; silabus instrumentasi korpus memuat latihan proximity dengan relai untuk beban arus besar. Keluaran PNP disambung ke A1 relai dan A2 ke 0 V; keluaran NPN sebaliknya, A1 ke +24 V dan A2 ke kawat hitam. Arus koil harus di bawah arus keluaran maksimum sensor, dan koil DC perlu dioda pembebas (flyback) bila sensor tidak memilikinya, karena tegangan induksi saat pemutusan dapat merusak transistor. Relai bantu dan kategorinya dibahas di bab komponen kendali.

Sensor dua kawat: arus bocor dan arus minimum

Sensor dua kawat hanya memiliki dua kawat dan disambung seri dengan beban, persis seperti kontak. Bedanya, sensor itu harus mengambil daya untuk rangkaiannya sendiri dari lintasan yang sama. Saat tidak aktif, sensor tetap melewatkan arus kecil yang disebut arus diam atau arus bocor $I_\text{r}$ (residual current, leakage current); saat aktif, ada tegangan jatuh $V_\text{d}$ di terminal sensor dan sensor memerlukan arus beban minimum $I_\text{min}$ supaya tetap bekerja.

Dua pemeriksaan wajib dilakukan. Pertama, arus diam tidak boleh membuat masukan terbaca ON saat sensor tidak aktif (false ON). Kedua, saat aktif, beban harus menarik arus sekurang-kurangnya $I_\text{min}$, dan tegangan yang tersisa harus melewati ambang ON masukan; bila tidak, sensor berkedip atau terbaca OFF (false OFF). Dengan masukan dimodelkan sebagai resistansi $R_\text{in}$:

$$V_\text{in,ON} = V_\text{catu} - V_\text{d}, \qquad I_\text{in,ON} = \frac{V_\text{in,ON}}{R_\text{in}} \ge I_\text{min}$$$$V_\text{in,OFF} = I_\text{r}\,R_\text{in} \le V_\text{OFF,maks}$$

dengan $V_\text{catu}$ tegangan catu (V), $V_\text{d}$ tegangan jatuh sensor saat aktif (V), $I_\text{r}$ arus diam (A), dan $V_\text{OFF,maks}$ tegangan tertinggi yang masih pasti terbaca OFF menurut lembar data modul (V). Bila syarat OFF tidak terpenuhi, resistor paralel $R_\text{p}$ dipasang di terminal masukan supaya arus diam terbagi:

$$R_\text{in} \parallel R_\text{p} \le \frac{V_\text{OFF,maks}}{I_\text{r}} \quad\Rightarrow\quad R_\text{p} \le \frac{1}{\dfrac{I_\text{r}}{V_\text{OFF,maks}} - \dfrac{1}{R_\text{in}}}$$

Resistor yang sama menaikkan arus sensor saat aktif, sehingga sekaligus membantu syarat $I_\text{min}$, dengan konsekuensi daya $V_\text{in,ON}^2/R_\text{p}$ yang harus ditanggung resistor. Model resistif ini berlaku untuk masukan sederhana; sebagian modul modern memakai pembatas arus sehingga arus masukannya hampir tetap, dan untuk modul seperti itu kurva lembar data yang dipakai.

IEC 61131-2 membagi masukan digital 24 V DC menjadi tiga tipe. Menurut dua sumber pabrikan, tipe 1 ditujukan untuk kontak mekanis dan sensor semikonduktor tiga kawat, tipe 2 untuk sensor dua kawat dengan arus diam relatif besar, dan tipe 3 untuk sensor dua kawat berdaya rendah sekaligus dapat menerima perangkat tipe 1. Ambang ON yang dikutip keduanya: tipe 1 sekurang-kurangnya 15 V dan 2 mA, tipe 2 sekurang-kurangnya 11 V dan 6 mA, tipe 3 sekurang-kurangnya 11 V dan 2 mA, dengan daerah peralihan di atas 5 V. Salah satunya merujuk edisi Eropa 2003; teks edisi 2017 tidak dibaca editor, dan batas arus OFF tiap tipe belum dapat dipastikan dari sumber yang dibaca, sehingga angka OFF di contoh diambil dari lembar data modul (ilustrasi). Konsekuensinya jelas dari ambang tegangan: tegangan jatuh sensor dua kawat beberapa volt memakan margin terhadap ambang 15 V tipe 1, sedangkan tipe 3 memberi ruang sampai 11 V.

Arus diam juga berakibat pada beban relai. Sensor dua kawat yang seri dengan koil relai atau kontaktor melewatkan arus diamnya ke koil; bila tegangan yang ditimbulkannya melebihi tegangan lepas koil, relai tidak pernah lepas. Ini gejala yang sama dengan kapasitansi kabel kendali panjang di bab sirkit kendali; katalog gejalanya dibahas pada bab diagnosis kendali motor. Sebagai ilustrasi, koil 24 V DC 0,4 W memiliki resistansi $24^2/0{,}4 = 1\,440$ Ω. Arus diam 1,5 mA menimbulkan 2,16 V (9 % tegangan pengenal), tipis di bawah batas lepas terendah koil DC 10 % pada bab komponen kendali. Saat aktif, tegangan jatuh 5 V menyisakan 19 V (79 %) pada catu nominal dan 15,4 V (64 %) pada catu 20,4 V, keduanya di bawah 85 %, batas bawah penarikan yang dijamin. Pasangan ini tidak layak; pakai sensor tiga kawat atau relai antarmuka yang lembar datanya menjamin kerja pada tegangan itu.

Sensor di lingkungan basah dan panas

Uap air panas, semprotan air saat pembersihan, deterjen, dan suhu yang naik-turun menentukan umur sensor di laundry. Dua parameter utama yang diperiksa sebelum memasang adalah kode IP dan rentang suhu kerja.

Kode IP menurut IEC 60529 terdiri atas dua angka: angka pertama untuk benda padat (0–6), angka kedua untuk air. Lampiran H PUIL 2020 Bagian 4-41 mencantumkan angka kedua 0–8; IEC 60529 dengan amandemen 2013 (edisi konsolidasi 2.2) menambahkan angka 9 untuk pancaran air bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi. Tanda IP69K yang sering tercetak di sensor berasal dari standar kendaraan jalan (ISO 20653, dahulu DIN 40050-9), bukan dari IEC 60529. Menurut Tabel 51A PUIL 2020 Bagian 5-51, lokasi dengan kemungkinan pancaran air dari segala arah (AD5), misalnya lantai yang disemprot selang, meminta IPX5. Uji rendam IPX7 dan uji pancaran IPX5 berbeda, sehingga sensor untuk area semprot dipilih dengan kedua tanda (misalnya IP65/IP67), sesuai uraian di bab data motor lanjutan; pemasangannya di mesin dibahas pada bab pemasangan lapangan mesin.

Satu katalog yang dicek editor menyebut suhu kerja sensor standar −25 °C sampai +80 °C. Di dekat pemanas pengering atau pipa uap, suhu permukaan pemasangan dapat melebihi itu; sensor dipilih dari varian suhu tinggi yang rentang lembar datanya mencakup suhu terukur di titik pasang, bukan suhu ruang. Suhu simpan pada lembar data tidak sama dengan suhu kerja.

Deterjen alkali dan bahan pemutih berbasis klorin dapat menyerang plastik tertentu dan paduan logam yang kurang tahan. Badan baja tahan karat AISI 316, yang mengandung molibdenum, umumnya lebih tahan klorida daripada AISI 304. Untuk rumahan plastik sensor kapasitif atau fotolistrik, ketahanan terhadap bahan kimia yang dipakai di fasilitas dicek pada lembar data.

Titik masuk kabel ke sensor sering menjadi titik lemah. Kabel dilindungi selang atau konduit, dimasukkan lewat gland yang cocok, dan diberi lengkungan penetes supaya air tidak mengalir ke sensor. Pada mesin yang bergetar, kabel diklem ke bagian yang ikut bergetar bersama sensor supaya titik masuknya tidak tertekuk berulang; kabel mesin dibahas pada bab pemasangan lapangan mesin. Kabel sensor 24 V juga dipisahkan dari kabel daya motor dan VFD menurut ketentuan pemisahan sirkit di bab pemasangan sistem perkawatan.

Contoh kerja: sensor pintu dan sensor posisi drum ke masukan 24 V DC

Dua contoh berikut memakai satu modul masukan PLC -K1 bertipe 1 dengan COM ke 0 V (benam), dicatu dari catu daya 24 V DC -T1. Data modul (ilustrasi): resistansi masukan $R_\text{in} = 4{,}7$ kΩ, ON bila $V_\text{in} \ge 15$ V dan $I_\text{in} \ge 2$ mA, pasti OFF bila $V_\text{in} \le 5$ V. Tegangan catu terendah yang diperhitungkan 20,4 V (24 V − 15 %, ilustrasi) untuk mewakili toleransi catu dan susut tegangan kabel.

Contoh 1: sensor pintu PNP tiga kawat

Keadaan. Sensor proximity induktif -B1 (PNP, NO, pemasangan rata) memberi tahu PLC bahwa pintu tertutup, untuk tampilan dan urutan program. Ini sinyal kendali, bukan fungsi keselamatan; kunci pintu dan pemantauannya adalah sirkit keselamatan tersendiri. Data -B1 (ilustrasi): $S_\text{n} = 4$ mm, target sirip baja tahan karat pada daun pintu, arus keluaran maksimum 200 mA, $V_\text{d} \le 2$ V, arus keluaran saat tidak aktif 0,1 mA.

Langkah 1: jarak pasang. Faktor baja tahan karat diambil dari ujung bawah rentang katalog B, 0,60, karena paduan sirip tidak diketahui. $S_\text{a,bahan} = 0{,}81 \times 0{,}60 \times 4 = 1{,}94$ mm. Dengan katalog A (0,85) hasilnya 2,75 mm, tetapi desain memakai angka terkecil. Celah sirip ke muka sensor saat pintu tertutup ditetapkan 1,5 mm, dengan toleransi engsel dan getaran diperiksa supaya tidak melebihi 1,9 mm.

Langkah 2: arah arus. -B1 memberi arus dari +24 V ke kawat hitam, ke terminal masukan, lalu ke COM di 0 V. Modul benam cocok; kawat cokelat ke +24 V dan biru ke 0 V dari -T1 yang sama.

Langkah 3: keadaan ON pada catu terendah.

$$V_\text{in} = 20{,}4 - 2 = 18{,}4\ \text{V}, \qquad I_\text{in} = \frac{18{,}4\ \text{V}}{4\,700\ \Omega} = 3{,}91\ \text{mA}$$

Tegangan 18,4 V di atas ambang 15 V dan arus 3,91 mA di atas 2 mA, jadi masukan pasti ON dengan margin 3,4 V. Pada catu nominal 24 V hasilnya 22 V dan 4,68 mA. Arus ini jauh di bawah kemampuan keluaran 200 mA.

Langkah 4: keadaan OFF. $V_\text{in} = 0{,}1\ \text{mA} \times 4{,}7\ \text{k}\Omega = 0{,}47$ V, jauh di bawah 5 V. Sensor tiga kawat mengambil daya dari kawat cokelat dan biru, bukan dari masukan.

Contoh 2: sensor posisi drum dua kawat

Keadaan. Sensor induktif dua kawat DC -B2 mendeteksi baut penanda pada puli drum sebagai posisi acuan, disambung ke masukan lain pada -K1. Data -B2 (ilustrasi): $I_\text{r} = 1{,}5$ mA, $I_\text{min} = 3$ mA, $V_\text{d} = 5$ V, arus beban maksimum 100 mA.

Langkah 1: cek OFF. $V_\text{in,OFF} = 1{,}5\ \text{mA} \times 4{,}7\ \text{k}\Omega = 7{,}05$ V. Nilai ini di atas 5 V dan di bawah 15 V, yaitu di daerah peralihan: masukan tidak dijamin OFF, dan dapat berkedip bersama derau.

Langkah 2: cek ON pada catu terendah. $V_\text{in,ON} = 20{,}4 - 5 = 15{,}4$ V, hanya 0,4 V di atas ambang 15 V. $I_\text{in} = 15{,}4/4\,700 = 3{,}28$ mA, di atas $I_\text{min}$ 3 mA dengan selisih 0,28 mA. Keduanya lolos tipis.

Langkah 3: resistor paralel. Syarat OFF memberi $R_\text{in} \parallel R_\text{p} \le 5/1{,}5\ \text{mA} = 3{,}33$ kΩ, sehingga $R_\text{p} \le 1/(1/3\,333 - 1/4\,700) = 11{,}4$ kΩ. Nilai 8,2 kΩ dipilih supaya ada margin: paralelnya 2,99 kΩ dan $V_\text{in,OFF} = 4{,}48$ V. Saat aktif pada catu terendah, arus sensor menjadi $15{,}4/4\,700 + 15{,}4/8\,200 = 3{,}28 + 1{,}88 \approx 5{,}15$ mA, jauh di atas $I_\text{min}$ dan di bawah 100 mA. Daya resistor pada catu nominal $19^2/8\,200 = 44$ mW; resistor 0,25 W sudah cukup.

Langkah 4: yang tidak diselesaikan resistor. Resistor paralel tidak mengubah tegangan ON 15,4 V, jadi margin terhadap ambang tipe 1 tetap 0,4 V. Itulah alasan sumber pabrikan menyebut tipe 1 tidak cocok untuk sensor semikonduktor dua kawat. Dua pilihan yang lebih baik: memindahkan -B2 ke masukan tipe 3 (ambang 11 V, margin 4,4 V pada catu terendah), asalkan batas arus OFF masukan itu pada lembar data mencakup arus diam 1,5 mA, atau memakai sensor tiga kawat PNP seperti -B1. Bila resistor tetap dipakai, fungsinya dicatat di diagram supaya tidak dilepas.

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. Modul masukan sama dengan contoh kerja di atas.

Contoh 1: target aluminium di konveyor laundry hotel. Sensor induktif $S_\text{n} = 5$ mm mendeteksi pelat penanda aluminium dengan celah rencana 2 mm (angka latihan). Dengan ujung bawah katalog B:

$$S_\text{a,bahan} = 0{,}81 \times 0{,}30 \times 5 \approx 1{,}2\ \text{mm}$$

Dengan katalog A (0,45) hasilnya 1,82 mm. Keduanya di bawah 2 mm, jadi deteksi tidak dijamin pada unit terburuk walaupun sensor tampak bekerja saat dicoba. Teknisi memilih sensor dengan $S_\text{n}$ lebih besar atau sensor faktor 1, lalu menghitung ulang dari lembar datanya.

Contoh 2: sensor NPN di modul benam, laundry rumah sakit. Sensor fotolistrik pengganti ternyata NPN ($V_\text{d} \le 2$ V, angka latihan), sedangkan COM kelompok masukannya di 0 V. Saat sensor aktif kedua ujung masukan berada pada 0 V, sehingga masukan tidak pernah ON. Bila COM dipindah ke +24 V, masukan menjadi sumber:

$$V_\text{in} = 24 - 2 = 22\ \text{V}, \qquad I_\text{in} = \frac{22\ \text{V}}{4\,700\ \Omega} = 4{,}68\ \text{mA}$$

Angka itu lolos ambang, tetapi tiga masukan lain dalam kelompok COM yang sama memakai sensor PNP (angka latihan) dan akan berhenti terbaca. Keputusannya: pesan sensor PNP dan cantumkan tipe keluaran pada daftar suku cadang.

Contoh 3: koil relai di keluaran sensor PNP, dapur hotel. Keluaran sensor PNP (200 mA, $V_\text{d} \le 2$ V, angka latihan) menyakelar langsung koil relai bantu 24 V DC 0,4 W, yaitu 1.440 Ω seperti ilustrasi bab. Pada catu nominal:

$$I_\text{koil} = \frac{24 - 2}{1\,440} = 15{,}3\ \text{mA}$$

Arus itu jauh di bawah 200 mA, dan tegangan koil 22 V (92 %). Pada catu terendah 20,4 V tegangan koil tinggal 18,4 V (77 %), di bawah batas penarikan terjamin 85 %. Relai dipilih dengan lembar data yang menjamin kerja pada tegangan itu, atau catu dijaga dekat nominal, dan dioda pembebas dipasang bila sensor tidak memilikinya.

Contoh 4: IP dan suhu titik pasang di laundry rumah sakit. Sensor posisi dipasang pada rangka pengering di lantai yang disemprot selang saat pembersihan. Termometer permukaan di titik pasang menunjukkan 88 °C saat pengering bekerja (angka latihan). Lokasi semprot selang termasuk AD5 dan meminta IPX5 menurut Tabel 51A PUIL 2020, sehingga sensor dipilih dengan tanda IP65 dan IP67 sekaligus. Rentang −25 °C sampai +80 °C pada katalog yang dicek editor kurang 8 °C dari suhu terukur, jadi dipakai varian suhu tinggi yang rentang lembar datanya mencakup 88 °C.

Salah tafsir yang sering terjadi

"PNP dan NPN hanya soal nama, hasilnya sama saja." Arah arusnya berlawanan. Sensor NPN pada masukan benam (COM ke 0 V) tidak pernah membuat masukan terbaca ON karena kedua ujung masukan berada pada 0 V saat sensor aktif. Lampu pada badan sensor tetap menyala, sehingga sensor sering dikira rusak.

"Sensor dua kawat lebih mudah, cukup disambungkan seri seperti kontak." Sensor dua kawat mengambil dayanya dari lintasan beban. Tanpa pemeriksaan arus diam, arus minimum, dan tegangan jatuh terhadap lembar data masukan, hasilnya dapat berupa masukan yang tidak pernah OFF atau berkedip saat catu turun, terutama pada masukan tipe 1 dengan ambang 15 V.

"Sensor proximity biasa dapat menggantikan sakelar pintu berkontak pembuka paksa." Sensor otomasi biasa tidak memiliki perilaku gagal yang ditetapkan; transistor yang tembus terus memberi sinyal "pintu tertutup". Fungsi keselamatan memakai sakelar berkontak pembuka paksa yang dipasang secara paksa atau gawai keselamatan tanpa sentuh menurut IEC 60947-5-3 dengan unit pemantaunya, dan rancangannya mengikuti ISO 14119.

"Jarak deteksi sensor induktif sama untuk semua logam, dan $S_\text{n}$ adalah jarak pasang." $S_\text{n}$ berlaku untuk target baja standar dan belum memperhitungkan sebaran unit, suhu, dan tegangan. Jarak pasang dirancang terhadap $0{,}81\,f\,S_\text{n}$; untuk aluminium dengan $f$ 0,30–0,45, jarak itu hanya sekitar seperempat sampai sepertiga $S_\text{n}$.

Hubungan dengan bab lain

Bab ini bersandar pada Bab 2, bab tombol dan stop darurat, bab komponen kendali, bab diagram kendali, dan bab sirkit kendali. Penerapannya pada siklus scan, interlock perangkat keras, dan interlock pintu dibahas pada bab relai pintar dan PLC, bab kendali motor dengan PLC, dan bab keselamatan fungsional mesin, lalu dirangkai dalam studi kasus integratif kelistrikan washer-extractor.

Latihan dan pembahasan

1. (Hitung) Sensor induktif memiliki $S_\text{n} = 8$ mm. Targetnya aluminium dengan $f = 0{,}40$ (ilustrasi). Hitung jarak deteksi untuk aluminium dan jarak kerja terjamin. Apakah pemasangan pada jarak 4 mm dapat diterima? Berapa jarak pasang maksimum?
2. (Hitung) Sensor dua kawat memiliki arus diam 1,8 mA dan tegangan jatuh 5 V. Masukan PLC dimodelkan 10 kΩ; lembar data (ilustrasi) menyatakan masukan pasti OFF bila tegangannya ≤ 5 V. Catu 24 V. Apakah terjadi false ON? Hitung resistor paralel maksimum, pilih nilai standar, lalu hitung arus sensor dan daya resistor saat sensor aktif.
3. (Tafsir) Teknisi memasang sensor PNP ke modul masukan yang COM-nya disambung ke +24 V. Lampu pada badan sensor menyala saat target mendekat, tetapi lampu masukan PLC tidak. Jelaskan penyebabnya dan dua cara perbaikan.
4. (Hitung) Sensor dua kawat memiliki $I_\text{min} = 4$ mA dan tegangan jatuh 6 V. Masukan PLC dimodelkan 5 kΩ, catu 24 V. Hitung arus saat aktif, tentukan apakah sensor bekerja benar, dan hitung resistor paralel agar arus sensor sekurang-kurangnya 5 mA (margin 25 %).
5. (Tafsir) Pada mesin cuci komersial, sakelar pintu berkontak pembuka paksa diganti sensor fotolistrik difus karena sakelar lama sering tersangkut. Apa risikonya dari sudut keselamatan dan standar, dan apa arah perbaikan yang benar?
6. (Tafsir) Sensor kapasitif pendeteksi level cairan pada tangki plastik sering memberi deteksi palsu. Sebutkan tiga kemungkinan penyebab beserta cara mengatasinya.

Kunci jawaban beralasan

1. Jarak untuk aluminium $0{,}40 \times 8 = 3{,}2$ mm, dan jarak kerja terjamin $0{,}81 \times 3{,}2 = 2{,}59$ mm. Pemasangan 4 mm tidak dapat diterima: sensor tidak mendeteksi bahkan pada unit terbaik. Jarak 3,2 mm pun belum aman karena $S_\text{n}$ hanya nominal; jarak pasang maksimum sekitar 2,5 mm, atau pakai sensor dengan $S_\text{n}$ lebih besar atau sensor faktor 1.
2. Tanpa resistor, $V_\text{in,OFF} = 1{,}8\ \text{mA} \times 10\ \text{k}\Omega = 18$ V, jauh di atas batas OFF 5 V: masukan tidak dijamin OFF dan dapat terbaca ON walaupun sensor tidak aktif (false ON). Syarat paralel $\le 5/1{,}8\ \text{mA} = 2{,}78$ kΩ memberi $R_\text{p} \le 1/(1/2\,778 - 1/10\,000) = 3{,}84$ kΩ. Pilih 3,3 kΩ (nilai standar di bawah batas); paralelnya 2,48 kΩ dan $V_\text{in,OFF} = 4{,}47$ V. Saat aktif, $V_\text{in} = 24 - 5 = 19$ V, arus sensor $19/10\,000 + 19/3\,300 = 1{,}9 + 5{,}76 = 7{,}66$ mA, dan daya resistor $19^2/3\,300 = 0{,}11$ W, jadi dipakai resistor 0,25 W atau lebih.
3. COM ke +24 V berarti modul bekerja sebagai masukan sumber, yang cocok untuk sensor NPN. Saat sensor PNP aktif, kawat hitam naik ke +24 V, sama dengan COM, sehingga beda tegangan di masukan nol dan tidak ada arus; lampu sensor menyala karena menunjukkan keadaan transistor sensor, bukan arus masukan. Perbaikan: pindahkan COM ke 0 V bila modul mendukung dua arah (semua masukan satu kelompok COM harus diubah bersama), atau ganti sensor dengan tipe NPN.
4. $I = (24 - 6)/5\,000 = 3{,}6$ mA, di bawah $I_\text{min}$ 4 mA: sensor dapat berkedip atau terbaca OFF (false OFF). Untuk 5 mA diperlukan tambahan 1,4 mA pada 18 V, jadi $R_\text{p} = 18/1{,}4\ \text{mA} = 12{,}9$ kΩ; pilih 12 kΩ (lebih kecil, arus lebih besar): arus total $3{,}6 + 1{,}5 = 5{,}1$ mA, daya 27 mW. Pada catu 20,4 V arusnya hanya $2{,}88 + 1{,}20 = 4{,}08$ mA; bila catu dapat turun, pilih 8,2 kΩ ($2{,}88 + 1{,}76 = 4{,}64$ mA). Resistor itu juga menurunkan tegangan OFF akibat arus diam. Alternatifnya sensor tiga kawat.
5. Sensor fotolistrik otomasi tidak memiliki kontak pembuka paksa dan tidak memiliki perilaku gagal yang ditetapkan: keluaran yang tembus, pantulan dari permukaan mengilap, atau setelan mode terang/gelap yang salah dapat memberi sinyal "pintu tertutup" saat pintu terbuka, tanpa terdeteksi. Penggantian itu juga mudah diakali. Arah perbaikannya: cari sebab sakelar tersangkut (penyetelan, aktuator, kotoran), pasang kembali gawai interlock yang memenuhi ISO 14119, yaitu sakelar berkontak pembuka paksa yang digerakkan secara paksa atau gawai keselamatan tanpa sentuh menurut IEC 60947-5-3 dengan unit pemantaunya, dan verifikasi ulang fungsi keselamatannya menurut bab keselamatan fungsional mesin.
6. (a) Kondensasi atau percikan di muka sensor menambah kapasitansi: pasang pelindung, arahkan muka sensor supaya air tidak menggenang, lalu setel ulang sensitivitas dengan tangki kosong dan penuh. (b) Lapisan deterjen atau kerak yang mengering di dinding tangki di depan sensor: bersihkan berkala dan pilih bahan tangki serta rumahan yang tahan bahan kimia. (c) Riak cairan atau getaran dudukan membuat sinyal berganti cepat: kencangkan dudukan pada struktur kaku dan beri tunda ON di program PLC untuk menyaring perubahan singkat. Dinding tangki yang terlalu tebal atau berbahan logam juga membuat sensor kapasitif tidak cocok sejak awal.

Referensi