Mekatronika mesin laundry dan dapur: kunci pintu, sakelar getar, sensor, aktuator, interlock, dan urutan kerja

Sebuah washer-extractor di laundry hotel berhenti memeras di tengah program tanpa kode yang jelas, kadang dua kali dalam sehari. Di mesin lain, pintu kadang tidak mau terbuka setelah program selesai dan baru terbuka beberapa menit kemudian. Teknisi mengganti papan kendali mesin pertama karena menduga papannya rusak, tetapi mesin itu tetap berhenti. Akhirnya ditemukan bahwa lengan sakelar getar di dalam rangka tidak lagi kembali sendiri ke posisinya karena dudukannya bergeser, dan bahwa sensor putaran mesin kedua tertutup serat sehingga kendali tidak yakin drum sudah diam.

Kedua mesin tidak rusak di elektroniknya. Keduanya rusak di titik pertemuan antara mekanik dan listrik: lengan, dudukan, celah sensor, dan mekanisme kunci. Bab ini menjelaskan mesin laundry dan dapur sebagai rantai mekatronika, agar teknisi dapat memeriksa setiap mata rantai sebelum mengganti komponen yang mahal.

Batas pembahasan

Bab ini membahas sisi mekatronika mesin: sensor dan mekanisme yang menggerakkannya, aktuator dan beban mekanisnya, interlock, gagal aman, urutan kerja, dan diagnosis di titik pertemuan mekanik dan listrik. Rangkaian kendali dan pengawatan dibahas di bab kelistrikan, yaitu relai waktu di Bab 48 · Kelistrikan & Kendali tentang relai waktu dan relai fungsi, VFD di Bab 67 · Kelistrikan & Kendali tentang prinsip kerja dan pemilihan VFD, studi kasus kelistrikan washer-extractor di Bab 82 · Kelistrikan & Kendali, dan kendali elektronik mesin pencuci piring di Bab 8 · Dishwashing. Konsep integrasi mekatronika ada di Bab 2 tentang mekanisme, aktuator, dan integrasi mekatronika, dan katup solenoid di Bab 62 · Kelistrikan & Kendali tentang elemen kendali akhir dan loop kendali.

Setelan sensor, logika interlock, dan waktu tunda untuk mesin tertentu diambil dari pabriknya. Angka di bab ini dipakai untuk menunjukkan cara membaca dan menghitung, bukan sebagai setelan mesin tertentu.

Rantai mekatronika

Setiap fungsi otomatis mesin adalah rantai: mekanisme menghasilkan keadaan fisik, sensor mengubahnya menjadi sinyal, kabel dan konektor membawanya, kendali memutuskan, aktuator mengubah keputusan menjadi gaya atau gerak, dan mekanisme bergerak lagi. Kerusakan di satu mata rantai terlihat sebagai gejala di ujung lain. Lengan sakelar getar yang macet terlihat sebagai "papan menghentikan program"; sensor yang tertutup serat terlihat sebagai "pintu tidak mau terbuka".

Karena itu diagnosis dimulai dari pertanyaan: keadaan fisik apa yang seharusnya dilihat sensor ini, dan apakah keadaan itu benar-benar terjadi? Jawabannya sering ditemukan dengan mata dan tangan sebelum alat ukur listrik dipakai.

Kunci pintu dan interlock

Pintu washer-extractor menahan cucian dan orang dari drum yang berputar. Manual washer-extractor pemilik menjelaskan bahwa cucian biasanya terpisah dari orang oleh pintu drum yang terkunci, dan memperingatkan agar mesin tidak dijalankan dengan interlock pintu yang tidak berfungsi, karena interlock yang rusak dapat membuat pintu terbuka saat drum berputar atau program mulai dengan pintu terbuka.

Interlock pintu (door interlock) adalah fungsi yang menahan mesin agar tidak bekerja dan pintu agar tidak terbuka selama syarat aman belum terpenuhi. Fungsi interlock pintu biasanya mempunyai dua syarat:

1. Mesin tidak boleh mulai sebelum pintu tertutup dan terkunci, dan keadaan terkunci itu dipastikan oleh sakelar yang membaca posisi kunci, bukan hanya posisi daun pintu.
2. Pintu tidak boleh terbuka selama drum berputar, dan kunci baru dilepas setelah kendali yakin drum diam, sering dengan waktu tunda tambahan.

Daftar suku cadang rakitan interlock dalam manual yang sama memperlihatkan bagian mekanisnya: rumah interlock, pelat pivot, geser yang dalam keadaan normal terbuka atau terkunci, pegas penahan, pegas torsi kecil, dan pegangan. Bagian-bagian kecil inilah yang aus, bengkok, atau kotor. Penilaian risiko, tingkat kinerja fungsi keselamatan, relai keselamatan, dan interlock pintu dengan pengunci dari sisi kelistrikan dibahas di Bab 70 · Kelistrikan & Kendali tentang keselamatan fungsional mesin. Pemeriksaan teknisi meliputi gerak geser yang bebas tanpa macet, pegas yang utuh, kait yang masuk penuh ke lubangnya, dan sakelar yang berubah keadaan tepat ketika kait masuk, bukan sebelumnya.

Mesin pencuci piring berpenutup memakai sakelar penutup atau pintu; manual mesin pencuci piring pemilik mencantumkan sakelar buluh (reed switch) untuk penutup atau pintu yang dibaca kendali sebelum program berjalan. Sakelar buluh digerakkan magnet di daun pintu, sehingga magnet yang lepas atau bergeser membuat mesin tidak mau mulai walaupun pintu tertutup.

Sakelar getar

Manual washer-extractor pemilik menjelaskan sakelar pengaman getar dengan rinci. Sakelar getar (vibration switch) adalah sakelar mikro yang peka dengan lengan panjang yang membawa beban eksentrik. Bila mesin bergerak berulang karena ketidakseimbangan, lengan terayun dan sakelar bekerja sesaat. Akibatnya bergantung pada model: pada beberapa model sakelar ini mematikan peras kecepatan tinggi, pada model lain memutus relai tiga kawat sehingga operasi mesin berhenti.

Penyetelan menurut manual itu:

1. Kepekaan naik bila beban dinaikkan pada lengan dan turun bila diturunkan; beban juga dapat diputar pada lengan, dan sakelar mikro dapat dimiringkan.
2. Lengan harus kembali sendiri: sakelar atau beban diputar sehingga ada sedikit kecenderungan yang membuat sakelar kembali. Pemeriksaannya, lengan digerakkan ke kiri lalu dilepas perlahan, dan sakelar mikro harus berbunyi klik saat lengan dilepas perlahan. Dalam posisi lepas, lengan bersandar ringan tetapi pasti pada penahan.
3. Ikatan pengaman lengan dari pabrik dilepas setelah mesin dipasang dan sebelum dijalankan.
4. Pondasi menentukan setelan: mesin kaku yang dibaut ke pondasi kokoh bergerak sangat sedikit untuk ketidakseimbangan yang sama, sehingga sakelar dapat disetel sangat peka; pondasi yang lemah membuat gerakan lebih besar, sehingga setelan yang kurang peka mungkin diperlukan.

Manual itu tidak menganjurkan mengubah setelan pabrik, tetapi meminta sakelar diperiksa fungsinya dan disetel ulang bila setelannya hilang. Pada kasus pembuka, lengan yang tidak kembali sendiri membuat sakelar terus bekerja setelah satu goyangan kecil. Sakelar getar tidak boleh diikat, dilepas, atau dibuat tidak peka untuk menghindari henti, karena ia melindungi rangka, bantalan, dan pondasi dari ketidakseimbangan yang berbahaya; Bab 23 · Fisika tentang dinamika rotor menjelaskan gayanya.

Sensor dan aktuator

Sensor dan aktuator adalah dua ujung rantai mekatronika yang menyentuh mekanisme, sehingga keduanya diperiksa bersama mekanisme yang dibaca atau digerakkannya.

Sensor yang sering dijumpai

1. Sensor jarak induktif (inductive proximity sensor) adalah sensor yang mendeteksi logam di depan mukanya tanpa sentuhan, misalnya untuk putaran poros atau posisi. Jarak deteksinya bergantung pada bahan target; logam selain baja lunak terdeteksi pada jarak lebih pendek, dengan faktor koreksi yang dibaca dari lembar data sensor (Latihan 1). Celah dipasang di bawah jarak nominal dengan cadangan, dan muka sensor dijaga dari serat dan kotoran logam.
2. Sensor putaran menghitung pulsa per putaran dari roda bergigi, magnet, atau lubang (Latihan 2). Kendali memakai sinyal ini antara lain untuk memutuskan kapan drum dianggap diam.
3. Sensor level tekanan membaca tinggi air dari tekanan udara yang terperangkap di pipa atau selang dari dasar tangki. Manual mesin pencuci piring pemilik menjelaskan bahwa udara dari perangkap udara di tangki diarahkan lewat selang bening ke pemancar tekanan, yang mengubah tekanan menjadi tegangan DC sebagai informasi level, dan mencantumkan tegangan sekitar 0,50 V untuk tangki kosong dan sekitar 0,90 V untuk tangki terisi pada model itu; selang harus menanjak di atas level tangki agar embunan dapat mengalir turun. Selang yang tertekuk, bocor, atau berisi air memberi level palsu (Contoh 2).
4. Sensor suhu seperti termistor NTC berubah hambatannya dengan suhu (Contoh 3); probe yang tertutup kerak membaca terlambat.
5. Sakelar pelampung untuk level aman. Manual mesin pencuci piring konveyor pemilik mencatat sakelar pelampung di tangki cuci yang mematikan pemanas bila level air terlalu rendah, dan pelindung panas lebih untuk pemanas listrik.
6. Sakelar posisi dan sakelar rak, termasuk sensor rak pada konveyor yang memulai waktu cuci dan bilas, seperti di Bab 7 · Dishwashing tentang mesin konveyor rak. Bila kecepatan konveyor diubah, tunda antara sensor rak dan awal bilas juga harus disesuaikan menurut pabrik.

Aktuator dan beban mekanisnya

Aktuator menghasilkan gerak yang harus sesuai dengan beban mekanisnya:

1. Solenoid kunci dan solenoid katup: gaya solenoid paling kecil pada celah paling besar di awal langkah. Mekanisme yang macet atau pegas yang terlalu kuat membuat solenoid berdengung, panas, dan tidak menarik penuh.
2. Motor dan VFD: motor drum, pompa, dan konveyor dikendalikan kontaktor atau VFD; VFD memberi percepatan dan perlambatan yang diatur, dibahas di Bab 67 · Kelistrikan & Kendali tentang prinsip kerja dan pemilihan VFD.
3. Rem dan kopling: kopling transport rak pada mesin pencuci piring konveyor, yang menurut manual pemilik memberi sinyal untuk menghentikan motor konveyor bila mesin kelebihan beban atau rak macet.
4. Aktuator linier dan silinder untuk pintu, katup buang, atau mekanisme miring, dibahas di Bab 11 tentang pneumatik dan hidraulik mesin.

Sebelum menyalahkan aktuator, mekanisme diperiksa dengan tangan saat daya dilepas: apakah bergerak bebas sepanjang langkahnya, apakah ada gesekan, apakah pegas dan penahan di posisinya.

Gagal aman dan pemantauan

Rancangan gagal aman (fail-safe design) adalah rancangan yang membuat mesin masuk ke keadaan yang aman bila sesuatu rusak. Contohnya:

1. Kontak normal tertutup pada rangkaian pengaman, sehingga kabel putus menghentikan mesin, bukan membiarkannya berjalan.
2. Kunci yang normal terkunci, dikunci pegas dan dilepas solenoid, sehingga pintu tetap terkunci saat daya padam selama drum masih berputar. Mesin seperti ini mempunyai cara pelepasan darurat menurut pabrik, yang dipakai hanya setelah drum dipastikan diam.
3. Pemantauan silang: kendali membandingkan dua sinyal yang seharusnya sesuai, misalnya pintu tertutup dan kunci terkunci, dan menolak berjalan bila keduanya tidak sesuai.
4. Interlock antarfungsi: manual mesin pencuci piring pemilik mencantumkan pilihan saling kunci antara pemanas tangki dan pemanas booster, dan antara pemanas tangki dan pompa deterjen, sehingga beban listrik besar tidak menyala bersamaan atau fungsi tidak berjalan pada keadaan yang salah.

Sakelar pengaman yang dijembatani, magnet yang ditempel ke sakelar buluh, atau sensor yang diikat untuk "sementara" merusak seluruh logika gagal aman. Setiap perbaikan pada rantai pengaman diakhiri dengan uji fungsi menurut pabrik.

Urutan kerja dan diagram waktu

Program mesin adalah urutan langkah dengan syarat masuk dan keluar. Untuk peras washer-extractor, urutan umumnya:

1. Kuras sampai level kosong terbaca.
2. Putaran distribusi rendah agar cucian tersebar.
3. Kenaikan ke putaran peras, dengan sakelar getar dan pemantauan arus aktif.
4. Perlambatan dan berhenti.
5. Kendali menunggu sinyal drum diam dan waktu tunda, lalu melepas kunci pintu.

Diagram waktu (timing diagram) adalah gambar yang menunjukkan setiap masukan dan keluaran sebagai garis yang naik dan turun terhadap waktu, sehingga terlihat apa yang harus terjadi lebih dulu. Teknisi yang membandingkan diagram waktu dengan pengamatan di mesin, misalnya lampu masukan di papan kendali, dapat melihat langkah mana yang tidak terpenuhi syaratnya. Pada mesin kedua di kasus pembuka, sinyal drum diam terlambat karena sensor putaran tidak membaca pulsa terakhir dengan andal (Contoh 1).

Setelah perbaikan: memasang sensor dan menguji interlock

Perbaikan pada satu bagian mesin dapat mengganggu sensor dan rantai pengaman di bagian lain, sehingga dua kebiasaan berikut menutup setiap perbaikan.

Memasang dan menyetel sensor setelah perbaikan

Banyak gangguan sensor muncul setelah perbaikan lain, misalnya penggantian bantalan atau sabuk, karena dudukan sensor ikut dilepas. Kebiasaan yang mencegahnya:

1. Tandai posisi sebelum melepas: ukur celah sensor dan foto dudukan, lengan, dan magnetnya.
2. Kencangkan mur sensor menurut pabrik; sensor berulir yang terlalu kencang retak, yang terlalu longgar bergeser oleh getaran.
3. Atur kabel dengan kelonggaran secukupnya, jauh dari bagian yang berputar dan bergerak, dan diikat pada titik yang tidak ikut bergetar. Kabel yang tertarik setiap kali pintu dibuka akhirnya putus di dalam isolasinya.
4. Jaga dari air: gland kabel dirapatkan, konektor dipasang dengan perapatnya, dan sensor ditempatkan agar air tidak menggenang di mukanya. Ruang laundry dan dapur basah dan beruap.
5. Periksa sinyal hidup setelah dipasang, dengan lampu masukan di papan kendali atau menu servis, saat mekanisme digerakkan pelan dengan tangan pada keadaan aman.

Uji fungsi interlock

Setelah perbaikan apa pun pada pintu, kunci, sakelar, atau kendali, interlock diuji menurut prosedur pabrik sebelum mesin diserahkan. Uji umum pada washer-extractor yang kosong:

1. Dengan pintu terbuka, perintah mulai tidak boleh menjalankan drum.
2. Dengan pintu tertutup tetapi kunci dicegah masuk, mesin tidak boleh mulai.
3. Saat drum berputar, pegangan pintu dicoba dari luar; pintu harus tetap terkunci.
4. Setelah program dihentikan, kunci baru boleh lepas setelah drum diam dan waktu tunda lewat.
5. Sakelar getar digerakkan dengan tangan saat mesin diam dan aman, dan kendali harus menanggapinya sesuai fungsinya.

Hasil setiap langkah dicatat. Uji dilakukan tanpa tangan atau benda di dalam drum.

Memisahkan kerusakan di titik pertemuan

Urutan pemeriksaan untuk satu fungsi yang tidak bekerja:

1. Mekanisme: apakah keadaan fisik terjadi? Pintu benar-benar terkunci, air benar-benar mencapai level, drum benar-benar diam.
2. Sensor dan dudukannya: celah, kelurusan, kebersihan, kabel yang terjepit gerak mekanisme.
3. Sinyal di sensor: tegangan atau kontak di terminal sensor saat keadaan berubah.
4. Sinyal di kendali: tegangan yang sama di terminal masukan kendali; perbedaan berarti kabel atau konektor (Contoh 6).
5. Keluaran kendali: perintah ke aktuator muncul atau tidak.
6. Aktuator dan bebannya: tegangan sampai ke aktuator, dan aktuator mampu menggerakkan mekanisme.

Papan kendali diganti terakhir, setelah mata rantai lain terbukti baik, karena papan jarang menjadi penyebab gejala yang berasal dari mekanisme.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: waktu berhenti drum dan tunda kunci. Drum melambat dari 800 rpm dengan perlambatan rata-rata 20 rpm per detik: $800/20 = 40$ detik sampai diam. Kunci pintu tidak boleh dilepas sebelum sinyal drum diam muncul dan waktu tunda pabrik lewat, sehingga pintu yang terbuka beberapa menit setelah program selesai dapat berarti sensor putaran tidak membaca pulsa terakhir.

Contoh 2: tegangan dari level air. Kolom air 25 cm memberi tekanan $1.000 \times 9{,}81 \times 0{,}25 = 2.453$ Pa. Pemancar 0 sampai 5 kPa dengan keluaran 0 sampai 10 V memberi $2{,}45/5 \times 10 = 4{,}9$ V. Bila selangnya berisi embunan sepanjang 5 cm di bagian yang menurun, tekanan yang terbaca berubah sekitar 0,5 kPa dan levelnya salah.

Contoh 3: hambatan termistor NTC. Termistor 10 kΩ pada 25 °C dengan konstanta B 3.950 K, dengan suhu ditulis dalam kelvin: pada 60 °C, $R = 10 \times e^{3.950 \, (1/333{,}15 - 1/298{,}15)} = 2{,}49$ kΩ. Bacaan 10 kΩ pada tangki yang panas berarti probe atau kabelnya bermasalah.

Contoh 4: kepekaan sakelar getar. Lengan dengan beban eksentrik bekerja pada percepatan rangka sekitar 0,3 g bila beban berada 40 mm dari pivot, dengan momen balik pegas dan kecenderungan reset tetap. Bila beban dinaikkan ke 60 mm, momen dari percepatan yang sama naik 1,5 kali, sehingga sakelar bekerja pada sekitar $0{,}3 \times 40/60 = 0{,}2$ g. Itulah arti "kepekaan naik bila beban dinaikkan".

Contoh 5: resolusi sensor putaran. Sensor 4 pulsa per putaran memberi satu pulsa setiap 90°. Pada putaran drum sangat rendah, misalnya 3 rpm, jarak antarpulsa $60/(3 \times 4) = 5$ detik, sehingga kendali memerlukan beberapa detik untuk yakin drum benar-benar diam.

Contoh 6: memisahkan kabel dari sensor. Sensor induktif tiga kawat memberi 24 V di terminal keluarannya saat target ada, tetapi terminal masukan kendali membaca 0 V. Sensor bekerja; kabel atau konektor di antaranya putus atau longgar, dan papan kendali tidak perlu diganti.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan bila salah satu keadaan berikut ditemukan. Keputusan melanjutkan ada pada penanggung jawab peralatan, dan pekerjaan dilanjutkan menurut prosedur pabrik oleh teknisi yang berkompeten untuk pekerjaan itu.

1. Pemeriksaan memerlukan tangan di dekat drum, konveyor, atau mekanisme yang dapat bergerak, sebelum daya dikunci dan diberi tanda dan energi tersimpan dilepas; ikuti Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, energi tersimpan, dan kondisi berhenti.
2. Interlock pintu, sakelar getar, sakelar pelampung, atau sakelar pengaman lain akan dijembatani, diikat, ditempeli magnet, atau dilepas untuk menjalankan mesin.
3. Pintu dibuka paksa atau dengan pelepasan darurat sebelum drum dipastikan diam.
4. Setelah perbaikan rantai pengaman, mesin akan dijalankan tanpa uji fungsi interlock menurut pabrik.
5. Setelan sakelar getar akan dibuat kurang peka untuk menutupi muatan atau pondasi yang bermasalah.
6. Sinyal diukur pada rangkaian bertegangan berbahaya tanpa kompetensi dan alat ukur yang sesuai; ikuti bab kelistrikan.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 2 tentang mekanisme, aktuator, dan integrasi mekatronika memberi konsep integrasi mekatronika, dan Bab 62 · Kelistrikan & Kendali tentang elemen kendali akhir dan loop kendali membahas katup solenoid. Sisi kelistrikan ada di Bab 48 · Kelistrikan & Kendali tentang relai waktu dan relai fungsi, Bab 67 · Kelistrikan & Kendali tentang prinsip kerja dan pemilihan VFD, dan Bab 82 · Kelistrikan & Kendali tentang studi kasus integratif kelistrikan washer-extractor. Mesin pencuci piring ada di Bab 7 · Dishwashing tentang mesin konveyor rak dan sensor raknya dan Bab 8 · Dishwashing tentang kendali elektronik mesin pencuci piring, sedangkan Bab 10 · Laundry tentang washer-extractor membahas muatan, level air, aksi mekanik, dan ekstraksi. Kondisi berhenti ada di Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, energi tersimpan, dan kondisi berhenti, tren sinyal di Bab 14 tentang pemantauan kondisi, tekanan hidrostatis di Bab 9 · Fisika tentang fluida statis, gaya tak seimbang di Bab 23 · Fisika tentang dinamika rotor, dan keselamatan fungsional serta interlock pintu di Bab 70 · Kelistrikan & Kendali tentang keselamatan fungsional mesin.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan rumus, hitungan, atau alasannya.