PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 18 Agustus 1008

FENOMENA BOUNCING PADA PROGRAMMABLE LOGIC

CONTROLLER (PLC) UNTUK MENGENDALIKAN GERAKANMOTOR STEPPER 5 PHASE

Ari Satrnoko, Edy Surnamo, PaidjoPusat Tekn%gi Reaktor dan Kese/amatan Nuklir

ABSTRAK

FENOMENA BOUNCING PADA PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER (PLC)UNTUK MENGENDALIKAN GERAKAN MOTOR STEPPER 5 PHASE. BidangOperasi Fasilitas PTRKN mengelola instalasi Untai Uji BETA (UUB) untukmempelajari berbagai fenomena termohidrolika. Salah satu komponen utamanyaadalah bagian uji QUEEN-I yang dilengkapi dengan pemanas berdaya total sekitar 4kWatt. Dalam melakukan kegiatan eksperimen, proses pemanasan bagian ujidilakukan secara bertahap melalui pengaturan daya dengan memutar regulatortegangan trafo secara manual. Dalam rangka mengefisienkan kegiatan eksperimen,pengembangan dilakukan untuk mengganti proses pemutaran regulator trafo secaramanual menjadi otomatis. Pengembangan ini dilakukan dengan cara memasangsebuah motor stepper bertipe 5 phase yang dikendalikan o/eh PLC. Berbagaipermasalahan timbul selama proses pengembangan ini. Salah satunya adalah efekbouncing yang temyata berasal dari signal keluaran PLC. Untuk memecahan masalahini, maka dipasanglah sebuah komponen kapasitor pada lokasi tersebut. Sesuaidengan karakternya, kapasitor ini menyimpan aros ketika sedang dialiri Iistrik dansebaliknya melepaskan aros ketika aliran Iistrik dihentikan. Akibatnya, getaran / osilasitegangan sesaat menjadi lenyap. Dan terblikti, gerakan motor stepper menempuhjarak putar seperti yang dikehendaki.Kata Kunci: instalasi BETA, motor stepper, PLC, bouncing

ABSTRACT

The Operating Facilities Division - PTRKN manages the BETA installation designatedfor thermal-hydraulics research. One of its major components is QUEEN-I test sectionequipped by a heater with the capacity of 4 KVA. Before performing experiment, thetest section is heated gradually by controlling the power by tuming manually thevoltage regulator transformator. In order to make efficient, a development is performedto replace from manual to automatic process. This is done by installing a 5 phasesstepper motor controlled by a PLC. Some problems rise during the development. Oneis bouncing phenomenon coming from the PLC output. To resolve this problem, acapacitor is installed on the location. As its character, the capacitor save the currentwhen loaded and release the current after that. Therefore, the instant voltageoscil/ation disappears. It is then proved that the stepper motor moves at a certainrotation as hoped.Key words: BETA installation, stepper motor, PLC, bouncing.

PENDAHULUAN

Bidang Opel asi Fasilitas PTRKN mengelolainstalasi Untai Uji BETA (UUB) untukmempelajari berbagai fenomena termohidraulika.Salah satu komponen utamanya adalah bagian uji

QUEEN-I yang dilengkapi dengan pemanasberdaya total sekitar 4 kWatt. Dalam melakukankegiatan eksperimen, proses pemanasan bagian ujidilakukan secara bertahap melalui pengaturan dayadengan memutar regulator tegangan trafo secaramanual setiap 10 men it, hingga distribusi panas

488 ISSN 1410 - 8178 Ari Satmoko, dkk

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator don Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

merata dan stabil. Kerja yang dilakukan untukmenaikkan daya adalah dengan memutar tombolregulator secara manual sebesar sudut tertentu.Besarnya sudut ini sebanding dengan output dayaregulator untuk pemanas. Tahapan ini dilakukansecara berulang hingga batang panas pada bagianuji QUEEN-I mencapai temperatur seperti yangdiinginkan.

tu.!cf'.~tcccb:- ••

berbasis mikroprosesor integral. PLC menerimamasukan dan menghasilkan keluaran sinyal-sinyallistrik untuk mengendalikan suatu sistem. Dengandemikian besaran-besaran fisika dan kimia yangdikendalikan, sebelum diolah oleh PLC, akandiubah menjadi sinyal listrik baik analog maupundigital, yang merupakan data dasamya. Karakterproses yang dikendalikan oleh PLC sendirimerupakan proses yang sifatnya bertahap, yakniproses itu betjalan urut untuk mencapai kondisiakhir yang diharapkan.

PLC berisi rangkaian elektronika digitalyang berfungsi sebagai contact Normally Open(NO) dan contact Normally Close (NC) relay. Satunomor kontak NO dan NC pada PLC dapatdigunakan berkali-kali untuk semua jenis instruksidasar PLC kecuali instruksi output. Instruksi outputsebuah PLC tidak dapat dilakukan untuk nomorkontak yang sarna.

MOTOR STEPPER 5 PHASE

Motor stepper 5 phase terdiri dari 2komponen utama: rotor dan stator (lihat Gambar 2).Rotor (bagian yang berputar) terdiri dari 3komponen yaitu rotor cup I, rotor cup 2 danmagnet permanen. Rotor tersebut bersifat magnetdalam arah aksial sehingga jika rotor cup Iberkutub utara maka rotor cup 2 berkutub selatan.Stator memiliki 10 kutub magnetik dengan gigi-gigihalus dan masing-masing kutub dilengkapi dengankumparan. Sepasang kutub membentuk sebuahphase sehingga total terdapat 5 phase. Pada setiaprotor terdapat 50 gigi dan disusun sedemikian rupasehingga rotor cup I dan rotor cup 2 membentukoffset jarak setengah pitch gigi.

Gambar 1. Pengontrolan trafo regulatordengan daya 4 kW menggunakanmotor stepper

Agar kegiatan eksperimen menggunakaninstalasi BETA dapat lebih efisien, berbagaipengembangan dilakukan pacta instalasi tersebut.Salah satunya adalah dengan mengganti prosespemutaran regulator trafo secara manual menjadiotomatis. Pengembangan ini dilakukan dengan caramemasang sebuah motor stepper pada tombolregulator daya (Iihat Gambar I). Gerakan motorstepper ini dikendalikan oleh sebuah ProgrammableLogic Controller (PLC). Pemrograman dibuatsehingga setiap waktu tertentu motor steppermemutar regulator trafo untuk menaikkan dayasecara otomatis. Motor stepper yang digunakanbertipe 5 phase. Makalah ini membahas berbagaipermasalahan yang timbul selama prosespengembangan menggunakan motor stepper ini.

TEORI

8ill1 BC3rin{J

Rotol Cup 1I 'P~nT'laneot MaQnBl

/1 "Roto; CUP 2

Programmable Logic Controller (PLC)

PLC merupakan sistem yang dapatmemanipulasi, mengeksekusi, dan atau memonitorkeadaan proses pada laju yang amat cepat, dengandasar data yang bisa diprogram dalam sistem

Gambar 2. Komponen motor stepper

Prinsip kerja motor stepper 5 phaseditunjukkan oleh Gambar 3. Ketika misalnya phaseA diaktifkan, kutub-kutub akan terpolarisasisehingga menimbulkan gaya tarik pada kutub

AriSatmoko, dkk. ISSN 1410 - 8178 489

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKA T NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator don Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

lawannya pada rotor cup I. Pada saat yangbersamaan, kutub stator lainnya menimbulkan dayadorong / tolak terhadap rotor cup 2. Kondisi inimenyebabkan gaya-gaya yang bekerja pada rotormenjadi berimbang dan rotor berada pada keadaanstationGlY. Karena phase B, C, D dan Edinonaktitkan, phase B membentuk offset terhadaprotor cup 2 sebesar 0,72°.

Motor stepper yang digunakan berphase 5.Sebenarnya masing-masing phase tersebut bersifatindependent sehingga membutuhkan 10 titik untukmengontrol arus yang mengalir. Namun karenapengkabelan menggunakan sistem pentagon (IihatGambar 4), maka jumlah titik kabel yangdibutuhkan hanya 5.

Sh<11tPhase A HASIL DAN PEMBAHASAN

Gambar 3. Susunan kumparan dalam motor stepper

Ketika phase B diaktitkan dan phaselainnya dinonaktitkan, fenomena serupasebelumnya terjadi dengan magnet stator phase Bmenarik rotor cup 2. Dengan kata lain, setiappergantian phase dari A ke B akan menyebabkanrotor berputar sejauh 0,72 0. Begitu seterusnya bilapengaktifan phase beralih dari B ke C, ke D, ke E,dan seterusnya. Apabila diinginkan putaran yangberlawanan, maka tinggal membalikkan arahpengaktifan magnet-magnet pada stator. l1ustrasi diatas menunjukkan gerakan motor denganpengaktifan I phase. Dalam kondisi sebenamya,pada saat bersamaan empat atau lima phase dapatsekaligus dioperasikan sehingga menghasilkanmotor dengan kekuatan torsi yang tinggi.

Gambar 4. Kumparan stator motor dalam sistempentagon.

Motor stepper 5 phase yang digunakanbertipe PK-5913-A. Motor ini dilengkapi dengandriver yang dapat memberikan perintah kepadamotor untuk melakukan gerakan putar baik dalamarah maupun besar langkah putaran. Motor disusunsesuai dengan petunjuk pengoperasian yang ada.Mengingat tidak semua fasilitas yang disediakanoleh paket motor dan driver dimanfaatkan makahanya rangkaian-rangkaian tertentu yang disusun[4J.PLC bertipe Omron digunakan untuk mengontrolmasukan-masukan pada driver (Iihat Gambar 5).Setelah semua pengkabelan tersusun, sistemtersebut diuji coba. Sesuai dengan perintah PLC,motor dapat berputar. Namun temyata langkahputaran melebihi dari sudut putar yang seharusnya.Serangkaian uji coba dilakukan dengan memberi 10pulsa signal pada driver dan me$tinya hanyamenghasilkan sudut sebesar 7,2° (10 step xO,72°/step). Namun temyata, sudut yang dihasilkanlebih besar dan tidak menentu dengan kisaran 15°hingga 30°. Berbagai kemungkinan ditelaah untukmenyelesaikan permasalahan seperti kerusakanpada komponen-komponen (motor, driver danPLC), kesalahan pengkabelan dan fenomenabouncing.

Untuk meyakinkan bahwa motor masihdalam keadaan bagus, tahanan masing-masingkumparan diukur menggunakan multimeter. Tabel 1memberikan hasil pengukuran terse but. Hasil inimenunjukkan bahwa kumparan-kumparan padamotor masih dalam keadaan baik. Dengan demikiansecara keseluruhan motor masih berfungsi normal.

Tabel I. Hasil pengukuran tahanan kumparan motor

No. Dari titik ke titikTahanan (0)1

biru - merah 2,9

2merah - oranve 2,9

3oranve - hiiau 2,9

4hiiau - hitam 2,9

5hitam - biru 2,9

490 ISSN 1410 - 8178 AriSatmoko, dkk

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

Sh1),'!-Pt't.}s;¢ -

~1fi-',1I>V M:~~H7

Gambar 5. Rangkaian antara motor stepper dan PLC

Evaluasi berikutnya adalah memeriksadriver motor. Program dalam PLC telah dibuatsedemikian rupa sehingga setelah menjalanibeberapa step putaran, motor berada dalam keadaanstandby. Keadaan ini mengijinkan dilakukannyapengukuran tegangan output dari driver. Beberapakali pengukuran menunjukkan bahwa tegangan­tegangan antara titik-titik pentagon berdekatanmengindikasikan angka yang konstan seperti OV

dan ± 2,2 V. Hasil ini menunjukkan bahwa hasiloutput dari driver masih seperti spesifikasi yangada.

Komponen PLC juga diperiksa.Pembuktian dilakukan dengan memeriksa apakahoutput sudah sesuai dengan pemrograman yangtelah diimplementasikan pada PLC. Melaluipemrograman sederhana terbukti bahwa PLCtersebut masih berfungsi normal.

Setelah semua komponen terbukti masihdalam keadaan bagus, pemeriksaan berikutnyamengarah pada sistem pengkabelan. Hal inidimungkinkan karena perakitan elemen konektordan kabel dirangkai secara manual yangmemungkinkan terjadinya kesalahan. Pemeriksaansecara hati-hati menggunakan multimeter dariberbagai titik per titik menunjukkan bahwapengkabelan telah sesuai dengan yang dikehendaki.

Karena semua komponen dan pengkabelantelah dianggap benar, maka muncul dugaan adanyafenomena bouncing, PLC memberikan perintahkepada driver melalui pemberian pulsa dari keadaanrendah (low: OV) ke tinggi (high: 2-5V). Pemberianpulsa ini dilakukan dengan sebuah rangkaian dimana sebuah sumber tegangan dilewatkan melaluioutput PLC yang berfungsi seperti saklar. Dengan

demikian apabila PLC membuka saklar pada outputtersebut, rangkaian dalam keadaan low. Dan ketikaPLC menutup output tersebut, sumber teganganakan memberika pulsa high. Efek bouncing akanmuncul bila proses dari buka ke tutup saklar tidaksempuma. Sebelum saklar menutup dengansempuma teIjadi semacam getaran yangmengakibatkan titik kontak tidak sempuma. Meskikeadaan ini hanya berlangsung sesaat namun dapatterdeteksi oleh peralatan tertentu seperti misalnyaosiloskop.

Penelusuran lebih Ianjut mengantarkantemuan bahwa PLC yang digunakan tersebut bertiperelay. Seperti yang telah diketahui, relay ini bekerjadengan sistem magnetik dan kontak mekanik.Kontak mekanik pada relay inilah yang didugamenyebabkan efek bouncing. Proses buka tutuprelay PLC mengakibatkan timbulnya osilasitegangan sesaat. Secara digital oleh driver motorstepper, osilasi tegangan ini dianggap sebagaiperubahan pulsa antara niai 0 dan nilai I. Berapajumlah perubahan pulsa ini tidak menentu danbersifat acak. Hal inilah yang menyebabkan sudutyang dihasilkan oleh motor stepper setelah diberi"10 perubahan signal" lebih besar dari seharusnyadan besamya sudut bervariasi.

Osilasi ini mempunyai frekuensi yangsangat tinggi dan tidak terdeteksi menggunakanperalatan multimeter atau sejenisnya. Sehinggatanpa alat yang memadai (misalnya osiloskop), sulitbagi manusia untuk memerik3a keberadaan efekbouncing. Efek bouncing dapat dipecahkan denganmenggunakan dua cara yakni secara software(melalui pemrograman) dan secara hardware(penambahan komponen elektronik).

Ari Satmoko, dkk. ISSN 1410 - 8178 491

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKA T NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator don Proses Bahan

Yogyakarta, 28 Agustus 2008

DAFT AR PUST AKA

TANYA JAWAB

Programmable LogicElektronika Negeri

Teknologi Sepuluh

Pemecahan efek bouncing denganpemrograman berasumsi bahwa begitu terjadipemberian pulsa digital, maka dilakukan pengaturandelay sehingga osilasi tegangan yang menyertaisecara sesaat diabaikan. Pengaturan delay inidilakukan melalui pemrograman. Pemeriksaanprogram PLC telah dilakukan dengan merubah­rubah lama fungsi timer. Namun ternyata motormasih berputar lebih jauh dari yang diharapkan.Pemecahan efek bouncing melalui pemrogramanPLC tidak dapat dilakukan karena justru penyebabbouncing ini ada pada outputnya. Output ini sudahdi luar jangkauan pemrograman.

Pemecahan efek bouncing melaluipenambahan hardware dilakukan denganmelokalisir titik yang diduga memberikan efekbouncing dan kemudian menambahkan komponenkapasitor pada titik tersebut. Dari evaluasi diperoleh.bahwa penyebab bouncing kemungkinan beradapada signal dari PLC yang diterima oleh drivermotor. Untuk mengatasinya, maka ditambahkanlahkomponen kapasitor pada lokasi tersebut.Penambahan kapasitor bertujuan untuk meratakanarus. Sesuai dengan karakternya, kapasitor inimenyimpan arus ketika sedang dialiri listrik dansebaliknya melepaskan arus ketika aliran listrikdihentikan. Ketika relay PLC dihidupkan, makakapasitor tersebut langsung terisi pada kontakpertama. Ketika sumber tegangan putus dalamwaktu yang sangat singkat, kapasitor beralih fungsimenjadi sumber tegangan. Dengan demikian ketikaterjadi osilasi tegangan, maka kapasitor iniberfungsi sebagai penstabil sumber tegangan.Akibatnya efek bouncing menjadi lenyap. Danterbukti setelah dilakukan uji coba, gerakan motorstepper menempuh jarak putar seperti yangdikehendaki.

Penambahan kapasitor akan menyebabkandelay pada pemberian pulsa. Lama delay tergantungpada besarnya kapasitas kapasitor. Hal ini akanberujung pada kecepatan motor. Penentuanbesarnya kapasitor dapat menggunakan osiloskopdisertai dengan perhitungan matematika. Namununtuk permasalahan ini belum dianalisis lebih lanjutmengingat kecepatan motor stepper tidak terlalukritis dan penggunaan kapasitor keramik sebesar 10pF telah memadai.

KESIMPULAN

Dalam rangka mengefisienkan kegiataneksperimen menggunakan instalasi BETA,pengembangan telah dilakukan untuk menggantiproses pemutaran regulator trafo secara manualmenjadi otomatis. Pengembangan ini dilakukandengan cara memasang sebuah motor stepperbertipe 5 phase pada tombol regulator daya.Gerakan motor stepper ini dikendalikan oleh sebuah

PLC. Berbagai permasalahan timbul selama prosespengembangan ini. Salah satunya adalah efekbouncing yang ternyata berasal dari signal keluaranPLC. Untuk memecahan masalah ini, makadipasanglah sebuah komponen kapasitor pada lokasitersebut. Sesuai dengan karakternya, kapasitor inimenyimpan arus ketika sedang dialiri listrik dansebaliknya melepaskan arus ketika aliran listrikdihentikan. Dengan demikian ketika terjadi getaran/ osilasi tegangan sesaat, kapasitor ini berfungsisebagai penstabil sumber tegangan. Akibatnya efekbouncing menjadi lenyap. Dan terbukti setelahdilakukan uji coba dengan penambahan kapasitor,gerakan motor stepper menempuh jarak putarseperti yang dikehendaki.

I. KHAIRUL HANDONO, Eksperimen Reflodingpada Untai Uji Beta: Pengaruh TemperaturMasukan pada Kecepatatl Pembasahan,Prosiding Presentasi Ilmiah TeknologiKeselamatan Nuklir VIII, ISSN No.1410-0533.Tahun 2003

2. ANANG TJAHJONO,Controller, PoliteknikSurabaya, InstitutNopember, Tahun 1998.

3. ANONIM, Oriental Motor General Catalogue,2007

4. EDY SUMARNO, Pembuatan Program PLCuntuk Pengontrolan Gerakan RegulatorTegangan Berdaya 5 KVA pada InstalasiQUEEN-I, makalah diajukan pada SeminarNasional Penelitian dan Pengelolaan PerangkatNuklir, Yogyakarta 28 Agustus 2008

Nurhidayat~ Pada PLC terdapat output (Y) yang lebih dari

satu, apakah pada output yang lain (Yo - Yn )

terjadi bouncing?AriSatmoko

~ Dalam pengembangan yang kami lakukan.kami hanya menggunakan satu output (Yo)

saja. Output-output lain tidak digunakan.Namun dipastikan. karena semua outputmemiliki tipe yang sama yaitu relay mekanikmaka efek bouncing akan terjadi juga padaoutput- output lain.

NadiS

492 ISSN 1410 - 8178 Ari Satrnoko, dkk

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

}- Dalam presentasi disebutkan dengan memasangkapasitor sebesar 1 pF "sudah cukup memadai"untuk mengatasi fenomena bouncing. Apakahdalam pengujian juga telah dicoba memasangkapasitor dengan kapasitansi di atas ataupun dibawah 1 pF? Bagaimana hasilnya? Mengapadikatakan 1 pF sudah cukup memadai?

Ar; Satmoko<} Koreksi bukan I pF tapi 10pF.<} Ya. kita sudah mencoba menggunakan

kapasitor lain dengan kapasitansi yangberbeda, namun hasi/nya sama saja.Penggunaan kapasitor yang berbeOO x akanmenentukan kecepatan maksimum motorstepper tersebut. Tapi karena dalam kasus ini,kecepatan m9tor tidak begitu krusial makasolosi dengan 10pF dianggap memadai.

Nugroho L~ Apakah sudah dicoba dibandingkan keandalan

motor stepper yang lain.~ Apakah peristiwa bouncing mesti terjadi pada

motor stepper.

Ar; Satmoko<} Kami tidak mencoba menggunakan motor

stepper lain. Namun bisa dipastikan motorstepper lain bisa digunakan dengan syaratkekuatan momen putarnya mencukupi.

<} TiOOk harus pada motor stepper. Masalahbouncing adalah masalah elektronik,sehingga dapat terjadi dimana saja.

Ari Satmoko, dkk. ISSN 1410 - 8178 493