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

Di ruang mesin sebuah laundry komersial, deretan mesin cuci dan pengering beroperasi hampir dua puluh jam sehari, dikendalikan panel yang 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 inilah yang mendorong pemakaian relai pintar dan PLC (programmable logic controller) bahkan di fasilitas menengah: perubahan logika cukup dilakukan lewat program, bukan lewat obeng dan tang.

Batas pembahasan

Logika kontak relai dari Bab 51 tentang logika kendali dasar dan Bab 54 tentang rangkaian kendali lanjutan di sini dipindahkan ke relai pintar (puluhan titik I/O) dan PLC modular kelas kecil sampai menengah pada mesin laundry komersial dan industri ringan. Yang diuraikan adalah perangkat keras, siklus scan, serta pengawatan modul dan catu 24 V DC; beban daya dan koil kontaktor dapat bertegangan 230 V AC. Pemrograman ada di Bab 64, penerapan pada motor dengan interlock perangkat keras di Bab 65 tentang kendali motor dengan PLC, serta jaringan industri, I/O analog, dan antarmuka operator di Bab 66 tentang PLC lanjutan. Acuan standarnya IEC 61131-1:2003 (informasi umum: definisi dan karakteristik fungsional) 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 76 tentang kerja aman.

Relai pintar, PLC modular, dan arsitekturnya

Relai pintar (smart relay) adalah modul kendali ringkas selebar beberapa modul rel DIN yang menyimpan logika di memori yang dapat diprogram ulang tanpa menyentuh kabel. Satu keluarga relai pintar tersedia dalam versi ringkas 10 sampai 20 titik I/O dan versi modular sampai 40 titik.

PLC modular memisahkan CPU (central processing unit) dari modul I/O, yang terhubung melalui bus bidang belakang (backplane bus) dan dapat dipilih serta ditambah sampai ratusan titik pada satu rak (rack); CPU yang lebih kuat dapat menjalankan beberapa tugas dengan prioritas berbeda.

CPU membaca status masukan, menjalankan instruksi program satu per satu, dan menentukan status keluaran. Memori program (flash atau memori tak-mudah-hilang lain) menyimpan instruksi, sedangkan memori data (RAM) menyimpan status I/O, variabel, dan hasil hitungan selama sistem berjalan. Relai pintar dan PLC kompak ada yang dicatu 100 sampai 240 V AC dan ada yang 24 V DC; contoh bab ini memakai versi 24 V DC. Port komunikasi tanpa isolasi galvanis dari sirkit lapangan lebih rentan terhadap lonjakan tegangan (surge) dari kabel panjang.

Siklus scan: mekanisme, waktu, dan akibatnya

Siklus scan (scan cycle) adalah siklus kerja berulang tiga fase yang dijalankan berurutan selama perangkat dalam keadaan run: baca masukan, eksekusi program, tulis keluaran. Pada fase baca, CPU menyalin status semua titik masukan ke tabel citra masukan (input image table). Selama eksekusi, program memakai tabel citra ini, bukan terminal, sehingga nilai masukan konsisten sepanjang satu siklus walaupun sinyal fisiknya berubah. Pada fase tulis, tabel citra keluaran disalin ke terminal keluaran. Waktu satu siklus disebut waktu scan (scan time), dan anak tangga program dievaluasi berurutan di dalamnya, seperti disinggung Bab 51 tentang 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. Program kecil lazimnya selesai dalam beberapa milidetik.

Masukan dibaca sekali setiap siklus, sehingga 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 (Bab 59 tentang sensor diskret). 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, sehingga 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.

Misalnya, CPU dengan $t_\text{scan,maks}=20$ ms, penyaring 3 ms, dan relai keluaran 10 ms memberi

$$t_\text{p,min} = 20 + 3 = 23\ \text{ms}, \qquad f_\text{maks} = \frac{1}{2 \times 23\ \text{ms}} \approx 21{,}7\ \text{Hz}, \qquad t_\text{tanggap,maks} = 3 + 2 \times 20 + 10 = 53\ \text{ms}$$

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 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

Istilah sink dan source, pasangan sensor PNP dan NPN dengan COM modul, serta tipe masukan 1, 2, dan 3 menurut IEC 61131-2 sudah diuraikan Bab 59 tentang sensor diskret. 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 hanya boleh dibolak-balik pada masukan dua arah.

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, seperti pada Bab 46 tentang komponen kendali; rating resistif tidak berlaku untuk koil. Arus bocor triac saat padam dapat menahan koil kecil atau relai antarmuka, seperti arus diam sensor dua kawat pada Bab 59.

Beberapa titik keluaran dalam satu modul berbagi satu terminal common, sehingga semua titik dalam satu grup harus dicatu dari satu sumber yang sama: satu fasa AC, atau satu kutub +24 V. Satu PLC kompak 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. Jenis peredam dibandingkan di Bab 11 tentang 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 -T1 mencatu CPU, modul I/O, dan perangkat lapangan dari jaringan 230 V AC. Kemampuan arusnya harus mencukupi total beban ditambah cadangan; cadangan 25 % di bab ini adalah praktik desain, 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, nilai maksimum lembar data) dan $I_\text{catu}$ arus pengenal catu (A). Tiga kelompok sering terlupa: arus semua titik masukan dalam keadaan ON, arus konsumsi sensor sendiri yang terpisah dari arus yang dialirkannya ke masukan, dan beban DC yang disakelar keluaran seperti katup dan lampu.

Sisi 230 V AC catu diproteksi pengaman arus lebih, misalnya MCB -F1, dan sisi 24 V DC dibagi menjadi cabang berpengaman sendiri (-F2, -F3, dan seterusnya). 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 (Bab 56 tentang 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 memberi kurva Z 2 sampai 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 56; 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 46, Bab 56, dan Bab 12 tentang trafo. Rel 0 V tidak dibumikan di titik kedua (Salah tafsir 4). Bila sensor dan PLC dicatu dari catu berbeda, 0 V keduanya disatukan dan dibumikan di satu titik saja, seperti pengawatan sensor pada Bab 59. 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 (I/O allocation list) adalah dokumen rekayasa yang memetakan setiap titik masukan dan keluaran fisik ke fungsi lapangannya. Dokumen ini dibuat sebelum pengawatan dan pemrograman. 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 di bab ini: relai pintar atau PLC -K, kontaktor dan katup -Q, sekering dan MCB -F, tombol -S, sensor -B, lampu indikator -P, dan catu -T. 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 72 tentang perakitan panel.

Fungsi tertentu tetap diwujudkan dengan perangkat keras walaupun ada PLC: stop darurat menurut Bab 49 tentang tombol dan stop darurat, interlock antara kontaktor maju dan mundur, dan pemutusan oleh relai beban lebih melalui kontak 95-96 yang seri dengan koil kontaktor, seperti pada Bab 47 tentang proteksi motor. Program dapat berhenti karena kegagalan CPU atau memori, dan keluaran transistor dapat gagal terhubung singkat; fungsi perangkat keras tetap bekerja tanpa CPU. IEC 60204-1 9.4 meminta fungsi kendali tetap aman saat gangguan, seperti diuraikan Bab 56. 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 65.

Contoh kerja

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

Contoh 1: dua pompa dosis bergantian di relai pintar. Dua pompa dosis kimia di laundry komersial bekerja bergantian untuk meratakan jam kerja: pompa pertama pada siklus ganjil, pompa kedua pada siklus genap, dan pompa lain masuk bila pompa giliran trip. Pola giliran ini dan rangkaian kontaknya ada di Bab 54; di relai pintar -K1, pencacah giliran dan logika pengganti menjadi program.

Empat masukan dan dua keluaran muat pada versi ringkas terkecil keluarga relai pintar tadi (6 masukan, 4 keluaran relai). Pemutusan tidak boleh bergantung pada program: kontak 95-96 -F1 dan -F2 tetap seri dengan koil -Q1 dan -Q2, stop darurat -S3 memutus kedua koil langsung di luar -K1, dan I3 serta I4 hanya memberi tahu program bahwa pompa giliran trip supaya pompa lain masuk. -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.

Contoh 2: alokasi I/O, catu, dan pengaman cabang mesin 10 masukan dan 6 keluaran. Keluaran mesin industri ringan ini menggerakkan motor 1 dua arah, motor 2 satu arah, katup solenoid pengisian 24 V DC 8 W (dari Soal 2 Bab 11 tentang induksi), dan dua lampu indikator 24 V. Tiap sensor PNP berkonsumsi 15 mA, dan modul masukan dimodelkan 4,7 kΩ seperti contoh masukan Bab 59, sehingga satu masukan ON menarik $24/4\,700=5{,}11$ mA.

Q1 sampai Q3 menyakelar koil 230 V dan Q4 sampai Q6 beban 24 V DC, jadi diperlukan sekurangnya dua grup common: grup 1 dari trafo kendali 230 V -T2:X1 (susunan Bab 56) melalui MCB -F4, grup 2 dari +24 V melalui -F3. Kontak 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.

Cabang -F2 mencatu CPU (150 mA dari lembar data, termasuk koil relai keluaran internal), masukan, dan sensor; cabang -F3 mencatu beban keluaran 24 V. Dengan semua titik ON dan cadangan 25 %:

$$\begin{aligned} I_\text{F2} &= 150 + 10 \times 5{,}11 + 5 \times 15 = 276{,}1\ \text{mA} \\ I_\text{F3} &= \frac{8}{24} \times 1\,000 + 2 \times 20 = 373{,}3\ \text{mA} \\ I_\text{total} &= 276{,}1 + 373{,}3 = 649{,}4\ \text{mA}, \qquad I_\text{catu} \ge 1{,}25 \times 649{,}4 = 812\ \text{mA} \end{aligned}$$

Pilihan catu 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. 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:

$$I_\text{a} = 3 \times 1{,}5 \times 0{,}5 = 2{,}25\ \text{A}, \qquad 1{,}5 \times 1{,}3 = 1{,}95\ \text{A} < 2{,}25\ \text{A} \le 1{,}5 \times 2{,}5 = 3{,}75\ \text{A}$$

Catu 1,3 A tidak menjamin pemutusan seketika, jadi 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 3: 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:

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

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, sehingga sebagian pulsa hilang dan volume terbaca terlalu kecil; meter itu disambung ke masukan pencacah cepat.

Contoh 4: 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:

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

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 (Bab 49).

Contoh 5: umur relai keluaran untuk katup dosis. Katup dosis kimia 24 V DC di laundry hotel disakelar 60 kali per jam selama 20 jam sehari oleh keluaran relai berumur listrik 100.000 operasi:

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

Kontak relai habis dalam kurang dari tiga bulan, jadi katup dipindah ke keluaran transistor dengan dioda peredam di koil.

Contoh 6: membagi grup common di panel ventilasi dapur hotel. Modul kompak dengan delapan keluaran relai bergrup 1, 1, 2, dan 4 titik 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, dan titik cadangannya hanya boleh untuk beban 230 V. Kedua katup masuk grup 2 titik dan lampu satu grup 1 titik, keduanya dari +24 V melalui pengaman cabang yang sama, sehingga 6 dari 8 titik terpakai tanpa mencampur sumber dan satu grup 1 titik tersisa.

Kondisi berhenti

Mesin tidak dijalankan, atau pekerjaan dihentikan dan keputusannya diserahkan kepada personel kompeten yang bertanggung jawab atas mesin dan panel itu, 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 (Bab 49).
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. Di mesin nyata, pemaksaan I/O 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 prosedur Bab 76.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Dasarnya ada di Bab 1 tentang tegangan dan daya, Bab 2 tentang sensor dan relay, Bab 52 tentang kontrol motor, dan Bab 50 tentang kode referensi; bab lain disebut di bagian yang memakainya.

Latihan dan pembahasan

Referensi