Sejarah Programmable Logic Controller (PLC)

Setiap sistem kendali dapat dibagi menjadi tiga bagian umum: perangkat input (sensor), pengendali (controller), dan perangkat output (aktuator). Perangkat input mendeteksi apa yang terjadi pada proses, pengendali menentukan tindakan yang harus diambil, dan perangkat output memanipulasi proses untuk mencapai hasil yang diinginkan.

Programmable logic controller atau PLC adalah pengendali serbaguna yang dapat diterapkan pada berbagai jenis aplikasi pengendalian proses. Kata “programmable” pada namanya menunjukkan keunggulan utama PLC: pengguna akhir dapat memprogram atau menginstruksikan PLC untuk menjalankan hampir semua fungsi kendali yang dibutuhkan.

Berbeda dengan pengendali PID loop yang merupakan perangkat khusus untuk satu jenis fungsi kendali saja, PLC dapat diinstruksikan untuk melakukan berbagai pemrosesan terhadap sinyal yang diterimanya dari perangkat input.

PLC mulai diperkenalkan ke dunia industri sebagai pengganti elektronik bagi kontrol relai elektromekanis. Pada aplikasi yang umumnya menggunakan relai untuk mengontrol proses start dan stop motor listrik serta perangkat output diskrit lainnya, keandalan PLC elektronik mampu mengurangi kegagalan sistem dan memperpanjang masa pakai operasional.

Kemampuan PLC untuk diprogram ulang juga memudahkan penerapan perubahan strategi sistem kendali dibandingkan dengan rangkaian relai, di mana pengubahan fungsi sistem memerlukan pengkabelan ulang (re-wiring).

Selain itu, berbasis komputer pada PLC memungkinkan data pengendalian proses ditransmisikan oleh PLC melalui jaringan. Hal ini memungkinkan pemantauan kondisi proses dari lokasi yang jauh serta oleh beberapa stasion operator sekaligus.

Warisan PLC sebagai pengganti relai paling terlihat pada bahasa pemrograman tradisionalnya: sebuah konvensi grafis yang dikenal sebagai Diagram Tangga (Ladder Diagram).

Program PLC Ladder Diagram menyerupai skema listrik tipe tangga, di mana “rel” daya vertikal menyalurkan daya kendali ke rangkaian “anak tangga” (rung) sejajar yang berisi kontak sakelar dan koil relai.

Programer PLC menggambar diagram secara langsung di layar menggunakan simbol kontak relai untuk mewakili instruksi pembacaan bit data pada memori PLC, serta simbol koil relai untuk mewakili instruksi penulisan bit data ke memori PLC.

Gaya pemrograman ini dikembangkan untuk memudahkan teknisi listrik industri beradaptasi dengan teknologi PLC baru. Meskipun pemrograman Ladder Diagram memiliki keterbatasan dibanding bahasa pemrograman komputer lainnya, metode ini relatif mudah dipelajari dan didiagnosis, sehingga tetap populer sebagai bahasa pemrograman PLC hingga saat ini.

Perangkat umum yang terhubung ke input PLC meliputi sakelar manual, sakelar proses, sensor, pemancar analog (4-20 mA), termokopel, termistor, dan strain gauge. Perangkat umum yang terhubung ke output PLC meliputi lampu indikator, solenoida, koil relai, kontaktor motor, elemen kendali akhir analog (seperti katup kendali throttling dan penggerak motor kecepatan variabel), serta buzzer suara.

Meskipun PLC awalnya dirancang untuk aplikasi kendali diskrit (on/off) seperti manajemen sabuk konveyor, pengurutan batch, dan kendali lini perakitan, PLC modern juga mampu mengolah sinyal analog. Oleh karena itu, PLC saat ini sama seringnya ditemukan menjalankan kendali PID loop seperti halnya mengaktifkan dan mematikan perangkat diskrit.

Contoh-contoh PLC

Programmable logic controller pada dasarnya adalah komputer industri khusus.

Oleh karena itu, konstruksinya dibuat jauh lebih tangguh daripada komputer pribadi (PC) biasa dan dirancang untuk menjalankan perangkat lunak sistem operasi yang sangat andal. PLC umumnya tidak menggunakan disk drive, kipas pendingin, atau bagian bergerak lainnya.

Hal ini merupakan keputusan desain yang disengaja untuk memaksimalkan keandalan perangkat keras di lingkungan industri yang berat, di mana sasis PLC dapat terpapar suhu ekstrem, getaran, kelembapan, serta partikel udara (debu, serat, atau asap).

Sistem PLC berskala besar terdiri dari rak tempat “kartu” sirkuit dipasang. Kartu-kartu ini mencakup prosesor, titik input dan output (I/O), port komunikasi, serta fungsi lain yang diperlukan untuk pengoperasian sistem PLC secara lengkap.

PLC “modular” semacam ini dapat dikonfigurasi sesuai dengan kebutuhan spesifik aplikasi. Kerusakan pada kartu individu juga lebih mudah diperbaiki pada sistem modular, karena hanya kartu yang rusak yang perlu diganti, bukan seluruh kartu atau raknya.

Sistem PLC berskala kecil terdiri dari satu unit “brick” monolitik yang berisi seluruh fungsi prosesor, I/O, dan komunikasi. PLC tipe ini biasanya jauh lebih murah daripada jenis modular, namun memiliki kemampuan I/O yang terbatas dan harus diganti secara keseluruhan jika terjadi kerusakan.

Foto-foto berikut menunjukkan beberapa contoh sistem PLC nyata, baik yang modular maupun monolitik. Contoh ini tentu tidak mencakup semuanya, karena masih banyak produsen dan model PLC lain di luar foto ini. Namun, contoh ini mewakili beberapa merek dan model umum yang banyak digunakan di industri saat ini.

Foto pertama memperlihatkan PLC seri Siemens (Texas Instruments) 505 yang terpasang pada panel kendali fasilitas pengolahan air limbah kotamadya.

Ini adalah contoh PLC modular dengan kartu prosesor, I/O, dan komunikasi individual yang terpasang pada rak. Tiga rak terlihat pada foto ini (dua terisi penuh dengan kartu, dan rak ketiga baru terisi sebagian):

Catu daya dan kartu prosesor untuk setiap rak terletak di ujung sebelah kiri, sedangkan kartu I/O terpasang pada slot di bagian rak sisanya.

Perangkat input seperti sakelar dan sensor terhubung melalui kabel ke terminal pada kartu input, sedangkan perangkat output seperti lampu, solenoida, dan koil kontaktor motor terhubung melalui kabel ke terminal pada kartu output.

Salah satu keuntungan dari konstruksi PLC modular adalah kartu I/O dapat diganti sesuai kebutuhan untuk mengubah konfigurasi I/O PLC tersebut.

Sebagai contoh, jika PLC perlu dikonfigurasi untuk memantau lebih banyak sensor, kartu input tambahan dapat dipasang ke rak lalu dihubungkan dengan kabel ke sensor-sensor tersebut.

Atau, jika jenis sensor perlu diubah – misalnya dari sensor DC 24 volt menjadi sensor AC 120 volt – kartu input jenis lain dapat menggantikannya agar sesuai dengan sensor baru tersebut.

Pada aplikasi khusus ini, PLC digunakan untuk mengatur urutan pengoperasian “trash rack” pembersih otomatis yang menyaring puing-puing besar seperti kain perca, ranting, dan material non-biodegradabel lainnya dari air limbah sebelum diproses.

Trash rack ini digerakkan oleh motor listrik, di mana sampah yang tertangkap dibersihkan dan diangkut ke sistem penanganan limbah padat. Pergerakan trash rack, pembacaan level dan tekanan air limbah, serta pemantauan kendali manual oleh operator seluruhnya dikelola oleh PLC ini.

Pemrograman PLC ini menggunakan timer, counter, sequencer, dan fungsi lainnya untuk mengelola pengoperasian trash rack secara berkelanjutan.

Foto berikutnya memperlihatkan sistem Allen-Bradley (Rockwell) PLC-5 yang digunakan untuk memantau dan mengendalikan pengoperasian kompresor gas alam skala besar. Dua rak terlihat pada foto pertama ini, dengan berbagai jenis kartu I/O terpasang pada masing-masing rak:

Seperti sistem Siemens 505 PLC sebelumnya, Allen-Bradley PLC-5 ini bersifat modular dan dapat dikonfigurasi. Jenis dan posisi kartu I/O pada rak dapat disesuaikan oleh teknisi ahli untuk memenuhi kebutuhan aplikasi. Pemrograman pada kartu prosesor PLC juga dapat diubah jika diperlukan perubahan strategi kendali.

Pada aplikasi ini, PLC bertugas memantau variabel tertentu pada unit kompresor gas dan mengambil tindakan korektif jika diperlukan agar mesin tetap produktif dan aman.

Pengendalian otomatis oleh PLC memastikan proses start-up, shut-down, dan penanganan kondisi darurat berjalan aman dan efisien. Kemampuan jaringan dan pencatatan data (data-logging) pada PLC memungkinkan data penting unit kompresor dapat dipantau oleh personel yang berwenang.

Khusus untuk stasiun kompresor ini, data ditransmisikan dari negara bagian Washington (lokasi kompresor berada) ke negara bagian Utah (lokasi pusat operasi utama). Operator dapat memantau kondisi operasional kompresor dan mengirimkan perintah ke kompresor melalui jaringan digital.

Sistem Siemens (dahulu Texas Instruments) 505 dan Allen-Bradley (Rockwell) PLC-5 dianggap sebagai sistem PLC “legacy” menurut standar modern, di mana kedua sistem pada foto sebelumnya sudah berusia sekitar 20 tahun.

Namun, tidak jarang PLC “usang” masih terus beroperasi. Berkat konstruksinya yang sangat tangguh dan desain yang andal, sistem kendali ini dapat terus beroperasi tanpa kendala berarti selama berdekade-dekade.

Model PLC yang lebih baru buatan Allen-Bradley adalah seri SLC 500 (sering disebut sebagai “Slick 500”). Model ini juga mengusung desain modular seperti PLC-5, meskipun rak dan modul SLC 500 dibuat lebih ringkas.

Rak SLC 500 pada foto berikutnya memiliki 7 “slot” untuk kartu prosesor dan I/O, bernomor 0 hingga 6 (kiri ke kanan):

Tiga slot pertama rak SLC 500 ini (0, 1, dan 2) Masing-masing terisi kartu prosesor, kartu input analog, dan kartu input diskrit.

Slot 3 dan 4 tampak kosong (memperlihatkan papan sirkuit backplane dan konektor untuk memasang kartu baru). Slot 5 dan 6 masing-masing terisi kartu output diskrit dan kartu output analog.

Fitur yang terlihat jelas pada seluruh kartu di sistem ini adalah lampu indikator LED yang berfungsi menunjukkan status masing-masing kartu.

Kartu prosesor memiliki indikator LED untuk mode “Run”, kondisi “Fault”, kondisi “Force” (saat bit input atau output dipaksa ke status tertentu oleh programmer untuk pengujian), serta indikator jaringan komunikasi.

Setiap kartu I/O diskrit memiliki LED indikator status on/off untuk setiap bit I/O, sedangkan kartu analog memiliki satu LED yang menunjukkan bahwa kartu menerima daya.

Sistem SLC 500 dengan sembilan slot diperlihatkan pada foto berikutnya, yang mengendalikan sistem pengolahan air murni untuk fasilitas manufaktur biofarmasi.

Seperti yang terlihat pada foto ini, tidak semua slot pada rak terisi oleh kartu I/O:

Beberapa input untuk PLC ini meliputi sakelar level air, sakelar tekanan, meteran aliran air, dan meteran konduktivitas (untuk mengukur kemurnian air, di mana konduktivitas listrik yang lebih tinggi menunjukkan adanya lebih banyak mineral terlarut, hal yang tidak diinginkan pada aplikasi proses ini).

Sebagai balasannya, PLC mengontrol start dan stop pompa air serta peralihan katup air untuk mengelola proses pemurnian dan penyimpanan air.

PLC modern buatan Siemens tampak pada foto berikutnya, yaitu S7-300 yang merupakan desain berbeda dari PLC modular.

Alih-alih kartu individual yang terpasang pada rak, desain PLC modular ini menggunakan modul-modul individual yang saling terhubung di bagian samping untuk membentuk unit yang lebih lebar:

PLC modern buatan Allen-Bradley (Rockwell) adalah sistem ControlLogix 5000, yang ditunjukkan pada foto ini sedang digunakan untuk mengendalikan proses manufaktur sereal.

Desain modular sistem ControlLogix 5000 mengikuti skema tradisional kartu individual yang terpasang pada rak dengan ukuran tetap:

Meskipun platform Siemens S7 dan Rockwell ControlLogix mewakili sistem PLC berskala besar dan modular, terdapat PLC yang jauh lebih kecil dengan harga yang jauh lebih terjangkau.

Salah satu PLC paling terjangkau saat tulisan ini dibuat adalah seri Koyo “CLICK”. Modul prosesornya (dengan delapan saluran input diskrit dan enam saluran output diskrit bawaan) tampak pada genggaman tangan saya (dijual seharga 69 dolar AS pada tahun 2010, lengkap dengan perangkat lunak pemrograman gratis!):

Ini adalah desain PLC semi-modular, dengan jumlah saluran input/output (I/O) minimal terintegrasi pada modul prosesor, namun dapat menerima beberapa modul I/O tambahan di bagian sampingnya, mirip dengan PLC Siemens S7-300.

PLC semi-modular lainnya diekspansi menggunakan kartu I/O yang dipasang pada unit dasar, serupa dengan sistem PLC berbasis rak tradisional.

Koyo DirectLogic DL06 adalah contoh baik untuk PLC semi-modular jenis ini. Foto berikut menunjukkan model DL06 yang menerima kartu input termokopel pada salah satu dari empat slot kartu yang tersedia:

Foto ini memperlihatkan unit dasar PLC dengan 20 saluran input diskrit dan 16 saluran output diskrit, yang menerima kartu input analog (kartu khusus ini dirancang untuk menerima sinyal dari termokopel guna mengukur hingga empat saluran suhu).

Beberapa PLC kelas bawah bersifat monolitik murni, tanpa kemampuan untuk menambahkan modul I/O tambahan.

General Electric Series One PLC ini (digunakan untuk memantau stasiun pembangkit listrik tenaga hidro skala kecil) adalah contoh desain monolitik murni yang tidak memiliki slot “ekspansi” untuk menerima kartu I/O:

Kekurangan dari konstruksi PLC monolitik adalah I/O yang rusak tidak dapat diganti secara terpisah.

Jika salah satu saluran I/O pada PLC mengalami kerusakan, seluruh PLC harus diganti untuk mengatasi masalah tersebut. Pada sistem modular, kartu I/O yang rusak cukup dilepas dari rak dan diganti dengan kartu I/O yang baru.

Kekurangan lain dari PLC monolitik adalah sifat I/O yang tetap: pengguna akhir tidak dapat menyesuaikan konfigurasi I/O agar sesuai dengan aplikasi.

Oleh alasan-alasan ini, PLC monolitik biasanya ditemukan pada proses skala kecil dengan sedikit saluran I/O dan potensi ekspansi yang terbatas.