AKTUATOR

Aktuator adalah sebuah peralatan mekanis untuk menggerakkan atau mengontrol sebuah mekanisme atau sistem. Aktuator diaktifkan dengan menggunakan lengan mekanis yang biasanya digerakkan oleh motor listrik, yang dikendalikan oleh media pengontrol otomatis yang terprogram di antaranya mikrokontroler. Aktuator adalah elemen yang mengkonversikan besaran listrik analog menjadi besaran lainnya misalnya kecepatan putaran dan merupakan perangkat elektromagnetik yang menghasilkan daya gerakan sehingga dapat menghasilkan gerakan pada robot. Untuk meningkatkan tenaga mekanik aktuator ini dapat dipasang sistem gearbox. Aktuator dapat melakukan hal tertentu setelah mendapat perintah dari kontroller. Misalnya pada suatu robot pencari cahaya, jika terdapat cahaya, maka sensor akan memberikan informasi pada kontroller yang kemudian akan memerintah pada aktuator untuk bergerak mendekati arah sumber cahaya.

Aktuator dalam perspektif kontrol dapat dikatakan sebagai:

§  Aktuator : Pintu kendali ke sistem

§  Aktuator : Pengubah sinyal listrik menjadi besaran mekanik

§  Batasan aktuator riil : Sinyal kemudi terkesil, saturasi.

Fungsi aktuator adalah sebagai berikut.

§  Penghasil gerakan

§  Gerakan rotasi dan translasi

§  Mayoritas aktuator > motor based

§  Aktuator dalam simulasi cenderung dibuat linier

§  Aktuator riil cenderung non-linier

Jenis tenaga penggerak pada aktuator

§  Aktuator tenaga elektris, biasanya digunakan solenoid, motor arus searah (Mesin DC). Sifat mudah diatur dengan torsi kecil sampai sedang

§  Aktuator tenaga hidrolik, torsi yang besar konstruksinya sukar.

§  Aktuator tenaga pneumatik, sukar dikendalikan.

§  Aktuator lainnya: piezoelectric, magnetic, ultra sound.

Tipe aktuator elektrik adalah sebagai berikut:

1.      Solenoid.

2.      Motor stepper.

3.      Motor DC.

4.      Brushless DC-motors.

5.      Motor Induksi.

6.      Motor Sinkron.

Keunggulan aktuator elektrik adalah sebagai berikut:

1.      Mudah dalam pengontrolan

2.      Mulai dari mW sampai MW.

3.      Berkecepatan tinggi, 1000 – 10.000 rpm.

4.      Banyak macamnya.

5.      Akurasi tinggi

6.      Torsi ideal untuk pergerakan.

7.      Efisiensi tinggi

HIDROLIK

Sistem hidrolik adalah suatu system pemindah tenaga dengan menggunakan zat cair atau fluida sebagai perantara. Sistem hydraulic ini mempunyai banyak keunggulan dibanding jika menggunakan sistem mekanikal. Adapun keuntungannya adalah sebagai berikut:

·         Dapat menyalurkan torque dan gaya yang besar

·         Pencegahan overload tidak sulit

·         Kontrol gaya pengoperasian mudah dan cepat.

·         Pergantian kecepatan lebih mudah

·         Getaran yang timbul relatif lebih kecil

·         Daya tahan lebih lama

Namun system hydraulic ini juga mempunyai beberapa kekurangan yaitu:

·         Peka terhadap kebocoran

·         Peka terhadap perubahan temperature

·         Kadang kecepatan kerja berubah

·         Kerja system saluran tidak sederhana

Hidrolik terbagi dalam 2 bagian:

·         Hidrodinamika : yaitu Ilmu yang mempelajar tentang zat cair yang bergerak

·         Hidrostatik : yaitu Ilmu yang mempelajari tentang zat cair yang bertekanan

Pada hidrostatik adalah kebalikan dari Hidrodinamika yaitu zat cair yang digunakan sebagai media tenaga, zat cair berpindah menghasilkan gerakan dan zat cair berada dalam tabung tertutup

Tekanan dan Gaya

Untuk menimbulkan tekanan maka fluida harus dikompress. Jumlah fluida yang dikompress dan nilai tekanan tergantung dari gaya yang digunakan untuk mengalirkan fluida dan gaya gaya yang menghambat (resisting) aliran fluida.

Pompa hydraulic menyebabkan gerakan aliran fluida dan resisting yang diakibatkan oleh sikuit hydraulic.

Hal hal yang menyebabkan aliran fluida terhambat adalah:

·         Beban piston silinder, semakin besar beban semakin besar tekanan yang dibutuhkan.

·         Jika ada back pressure, maka aliran akan terhambat.

·         Sirkuit hydraulic yang ada, hose, valve, fitting, filter dan orifice akan menyebabkan gesekan dan fluida sulit untuk mengalir.

Catatan: Gesekan aliran akan semakin besar jika:

Bertambah panjangnya pipa atau hose

Kecepatan oli

Berkurang dengan besarnya diameter saluran.

Berkurang karena temperatur oli

Tekanan dan Gaya

·         Apabila suatu zat cair mendapat tekanan maka zat cair itu akan selalu mengalir melalui jalan yang termudah

·         Karena sifat zat cair tersebut diatas adalah merupakan suatu kelemahan karena akan dapat merusak sistem, misalnya:

Kebocoran pada fitting-fitting yang kendor

Kebocoran pada seal-seal yang rusak

Motor Stepper

Motor stepper mengubah pulsa-pulsa listrik yang diberikan menjadi gerakan-gerakan diskrit rotor yang disebut langkah (steps). Nilai rating dari suatu motor stepper diberikan dalam langkah per putaran (steps per revolution). Motor stepper umumnya mempunyai kecepatan dan [torsi] yang rendah.

Motor stepper bekerja berdasarkan pulsa-pulsa yang diberikan pada lilitan fasenya dalam urut-urutan yang tepat. Selain itu, pulsa-pulsa itu harus juga menyediakan arus yang cukup besar pada lilitan fase tersebut. Karena itu untuk pengoperasian motor stepper pertama-tama harus mendesain suatu sequencer logic untuk menentukan urutan pencatuan lilitan fase motor dan kemudian menggunkan suatu penggerak (driver) untuk menyediakan arus yang dibutuhkan oleh lilitan fase.

Elemen-elemen berikut menentukan karakteristik suatu motor stepper:

1.      Tegangan. Motor stepper biasanya mempunyai tegangan nominal. Tegangan yang diberikan kadang-kadang melebihi tegangan nominal untuk mendapatkan torsi yang dibutuhkan, tetapi dapat menyebabkan panas berlebih dan mempersingkat usia motor.

2.      Hambatan. Karakteristik lainnya adalah hambatan-per-lilitan. Hambatan ini akan menentukan arus yang ditarik oleh motor, dan juga memengaruhi kurva torsi dan kecepatan kerja maksimum motor.

3.      Derajat per langkah (step angle). Faktor ini menentukan berapa derajat poros akan berputar untuk setiap langkah penuh (full step). Operasi setengah langkah (half step) akan melipat-gandakan jumlah langkah-per-revolusi, dan mengurangi derajat-per-langkahnya. Derajat-per-langkah sering disebut sebagai resolusi motor.

Motor Stepper adalah sebuah perangkat pengandali yang menkonversikan bit-bit menjadi posisi rotor. Motor stepper memiliki pin-pin input yang menjadi kutub-kutub magnet di dalam motor. Bila salah satu pin diberi sumber tegangan, pin tersebut akan mengaktitkan kutub di dalam magnet sebagai kutub utara dan kutub yang tidak diberi tegangan sebagai kutub selatan. Dengan terdapatnya 2 kutub di dalam motor ini, rotor di dalam motor yang memiliki kutub permanen akan mengarah sesuai dengan kutub—kutub input. Kutub utara rotor akan mengarah ke kutub selatan stator sedangkan kutub selatan rotor akan mengarah ke kutub utara stator. Pada motor stepper terdapat berbagai macam tipe, antara lain:

1. Unipolar

2. Bipolar

3. Single-phase

4. Multy-phase dan sebagainya. 

Skema umum motor stepper dapat dilihat seperti gambar:

Gambar  Skema Motor Stepper

Gambar diatas menunjukkan penampang motor stepper dengan empat koil. Setiap koil memiliki empat kondisi kutub. Bila kondisi satu yang aktif, posisi rotor akan nampak seperti di atas. Bila kondisi bergeser ke dua. rotor akan berputar ke kiri dengan sudut putar sesuai dengan jarak kondisi satu dan dua. Namun bila setelah kondisi satu, kondisi empat yang aktif, rotor akan menuju ke koil dengan pin empat paling dekat dengan pin satu dari kondisi sebelumnya. Hal ini menyebabkan rotor berputar ke kanan dan seterusnya. ketelitian sudut putar pada motor stepper sebanding dengan banyaknya kondisi masukkannya. Pada kondisi seperti gambar stepper dengan empat koil dan empat kondisi kutub dengan metode full step akan mampu menghadap ke 16 sudut berbeda.

Ada dua tipe pengendalian dengan metoda full step yaitu dengan pembangkitan tunggal dan pembangkitan ganda. Untuk tipe pcmbangkitan tunggal dapat dilihat lebih jelas pada tabel berikut.Pada tabel karakteristik pembangkitan stepper dibawah hanya ada satu kondisi yang aktif. Misal koil satu aktif dan lainnya mati, maka rotor akan menghadap ke kutub satu. Bila koil dua aktif, dan kutub lainny off, rotor akan mcnghadap ke kutub dua dan seterusnya. Untuk Pembangkitan motor stepper dengan metode pembangkitan ganda dapat dilihat pada tabel berikut.

Tabel Karakteristik Stepper Pembangkitan Tunggal

Pada tabel dua koil aktif bersamaan, dan dua lainnya mati. Hal ini akan menyebabkan rotor menghadap diantara kutub yang aktif. Misalkan untuk kondisi koil satu dan dua aktif, rotor akan menghadap ke titik diantara kutub satu dan dua, dan seterusnya.

Tabel Karakteristik Stepper Pembangkitan Ganda

Motor stepper adalah perangkat elektromekanis yang bekerja dengan mengubah pulsa elektronis menjadi gerakan mekanis diskrit. Motor stepper bergerak berdasarkan urutan pulsa yang diberikan kepada motor. Karena itu, untuk menggerakkan motor stepper diperlukan pengendali motor stepper yang membangkitkan pulsa-pulsa periodik. Penggunaan motor stepper memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan penggunaan motor DC biasa. Keunggulannya antara lain adalah:

·         Sudut rotasi motor proporsional dengan pulsa masukan sehingga lebih  mudah diatur.

·         Motor dapat langsung memberikan torsi penuh pada saat mulai bergerak

·         Posisi dan pergerakan repetisinya dapat ditentukan secara presisi

·         Memiliki respon yang sangat baik terhadap mulai, stop dan berbalik (perputaran)

·         Sangat realibel karena tidak adanya sikat yang bersentuhan dengan rotor seperti pada motor DC

·         Dapat menghasilkan perputaran yang lambat sehingga beban dapat dikopel langsung ke porosnya

·         Frekuensi perputaran dapat ditentukan secara bebas dan mudah pada range yang luas.

Aplikasi Penggunaan Pneumatik

1.      Penjelasan Pneumatik

Secara definisi sistem pneumatik dapat diartikan sebagai setiap sistem yang menggunakan gas atau udara sebagai fluida/media penggerak ataupun transmisi. Disebut media penggerak karena memang sifat udara yang compressible dapat dikonversi menjadi tenaga mekanik. Contohnya : pompa, piston ataupun valve yang dioperasikan secara pneumatik. Dibandingkan dengan sistem hidraulik yang menggunakan cairan/oli sebagai fluida. Pneumatik memiliki kelebihan diantaranya : bersih dan harga yang murah. Namun besarnya tenaga yang diberikan tidak sebesar tenaga hidraulik. Pada umumnya tekanan kerja udara yang dioperasikan pada sistem penggerak pneumatik sebesar 7 – 10 barg.

Pada masa kini sistem instrumentasi yang masih menggunakan sinyal pneumatik sangat jarang ditemukan, selain dikarenakan harga instalasi yang mahal juga adanya waktu tunda (delay) dalam pengiriman sinyal. Saat ini transmisi sinyal pneumatik pada plant lama sendiri banyak digantikan dengan menggunakan transmisi sinyal listrik analog 4-20 mA ataupun komunikasi digital seperti fieldbus/Profibus.

Beberapa standard yang digunakan pada perancangan sistem pneumatik diantaranya :

·         API RP 552 (Transmission System)

·         ISA S7.4 (Air Pressures for Pneumatic Controllers, Transmitters, and Transmission Systems)

·         ISA S7.3 (Quality Standard for Instrument Air)

·         ISA S7.7 (Recommended Practice for Producing Quality Instrument Air)

SIMBOL DAN RANGKAIAN PNEUMATIK

Standard ISO 1219 menjadi acuan dalam standardisasi simbologi untuk komponen pneumatik. Pada umumnya pun supplier atau vendor suatu produk pneumatik mengacu pada standard tersebut untuk mereprentasikan fungsi-fungsi produknya.

Contoh rangkaian elektro-pneumatik sederhana pada suatu on-off valve control station.

Perhatikan gambar diatas, contoh sebuah rangkaian pneumatik sederhana dalam satu proyek untuk keperluan pengontrolan on-off valve. Deskripsi dari komponen-komponen pneumatiknya sebagai berikut:

Item	Komponen Pneumatik	Fungsi
A	Aktuator	Mengubah tekanan udara menjadi gerakan 1/4 putaran yang digunakan untuk membuka-tutup valve. Didalam aktuator terdapat ruang udara dan pegas (spring). Kesetimbangan gaya pegas dan tekanan udara dimanfaatkan untuk mengontrol gerakan piston.
B	Main Valve	Adalah objek kontrol dari sistem pneumatik. Mekanisme buka-tutup valve diakibatkan oleh gerakan piston didalam aktuator. Untuk kasus ini, main valve dalam keadaan terbuka pada saat aktuator mendapat tekanan pneumatik. Hilangnya tekanan udara/pneumatik pada aktuator menyebabkan main valve tertutup.
1	Two Way Ball Valve	Sebagai isolasi sistem pneumatik terhadap supply udara dari luar. Pada saat sistem pneumatik dioperasikan valve ini harus dalam keadaan terbuka dan ditutup pada saat ada pemeliharaan (maintenance) misalnya ada kebocoran atau penggantian komponen.
2	Air Filter Regulator	Menjaga tekanan supply udara pada harga yang ditentukan (contoh: 5.5 barg) sekaligus membuang (release) kelebihan tekanan. Selain itu juga berfungsi sebagai penyaring udara (ukuran 5 micron) dari partikel debu pengotor. Akumulasi uap air yang terjebak dibuang secara manual (manual drain).
3	Pressure Gauge	Untuk pembacaan / indikasi besarnya tekanan udara yang masuk ke sistem pneumatik. Range yang umum digunakan 0-10 barg ataupun 0 – 14 barg.
4, 10	Check Valve	Mencegah aliran balik udara.
5	3/2 Way Solenoid Valve dengan Manual Reset. Buka-tutup valve diaktuasi oleh signal listrik.	Mengatur buka-tutup aliran udara didalam sistem pneumatik. Fungsinya semacam block and bleed valve. 3/2 way bermakna valve tersebut memiliki 3 port dan 2 position (keadaan). Pada dasarnya kita bebas menghubungkan port mana yang akan kita pilih sesuai design yang kita inginkan, dianalogikan seperti istilah NO/NC pada wiring. Pada kasus ini hanya 2 port yang terhubung dengan tubing sedangkan port lainnya difungsikan sebagai venting port (dipasang bug screen). Dalam keadaan tidak ada arus listrik/sinyal elektrik , jalur aliran udara masuk ke aktuator tertutup (mengakibatkan main valve dalam posisi tertutup). Ketika arus listrik diumpan ke solenoid membuat aliran udara kedalam aktuator tebuka (main valve menjadi terbuka). Sekali arus listrik hilang, valve kembali keposisi semula (yang disebabkan oleh gaya pegas didalam valve).Yang berakibat tertutupnya aliran udara menuju aktuator dan pada saat yang sama pula sisa tekanan udara didalam tubing (diantara valve dan aktuator) dibuang ke atmosfer melalui venting port. Manual reset berupa tombol yang harus ditekan operator secara manual sesaat setelah valve berubah posisinya. Tanpa melakukan reset, valve tidak akan berubah ke posisi selanjutnya walaupun sinyal listrik telah diumpankan.
6	Bug Screen	Umumnya dipasang pada venting port, gunanya untuk mencegah masuknya serangga pada komponen pneumatik.
7	Flow Control Valve	Mengatur besar-kecilnya aliran udara yang masuk kedalam aktuator.
8	Safety Relief Valve	Jika pressure regulator tidak befungsi dengan baik (fail), maka tekanan udara yang akan masuk kedalam aktuator menjadi tidak terkendali sehingga perlu ditambahkan proteksi untuk membuang kelebihan tekanan tersebut. Aktuator sendiri memiliki batas maksimum tekanan kerja yang umumnya berada pada rentang 8 – 10 barg, tergantung pada jenis /ukuran aktuator yang dipilih.
9	Quick Exhaust Valve	Mempercepat buangan sisa tekanan didalam aktuator ke luar atmosfer. Valve ini hanya berfungsi pada saat tidak ada supply udara kedalam aktuator. Adanya valve ini akan mempercepat respon tutupnya main valve.
11	Silencer	Dipasang pada akhir rangkaian pneumatik yaitu jalur tubing menuju venting ke atmosfer. Gunanya mencegah masuknya benda asing sekaligus mengurangi suara bising akibat buangan tekanan udara dari aktuator.
Bulk material : tubing, fittings adapter, tee dan lain-lain		Menghubungkan komponen pneumatik satu dengan komponen lainnya.

Gambaran diatas hanyalah salah satu contoh sederhana dari aplikasi rangkaian pneumatik untuk pengontrolan on-off valve. Pada kasus lain semisal Wellhead Control Panel, rangkaian pneumatik dikombinasikan dengan rangkaian hidraulik dan elektrik makin menambah rumit rangkaiannya.

2.      Aplikasi Penggunaan Pneumatik

Penggunaan udara bertekanan sebenarnya masih dapat dikembangkan untuk berbagai keperluan proses produksi, misalnya untuk melakukan gerakan mekanik yang selama ini dilakukan oleh tenaga manusia, seperti menggeser, mendorong, mengangkat, menekan, dan lain sebagainya. Gerakan mekanik tersebut dapat dilakukan juga oleh komponen pneumatik, seperti silinder pneumatik, motor pneumatik, robot pneumatik translasi, rotasi maupun gabungan keduanya.

Pemakaian pneumatik dibidang produksi telah mengalami kemajuan yang pesat, terutama pada proses perakitan (manufacturing), elektronika, obat-obatan, makanan, kimia dan lainnya. Pemilihan penggunaan udara bertekanan (pneumatik) sebagai sistim kontrol dalam proses otomasinya, karena pneumatik mempunyai beberapa keunggulan, antara lain: mudah diperoleh, bersih dari kotoran dan zat kimia yang merusak, mudah didistribusikan melalui saluran (selang) yang kecil, aman dari bahaya ledakan dan hubungan singkat, dapat dibebani lebih, tidak peka terhadap perubahan suhu dan sebagainya.

Udara yang digunakan dalam pneumatik sangat mudah didapat/diperoleh di
sekitar kita. Udara dapat diperoleh dimana saja kita berada, serta tersedia dalam jumlah banyak. Selain itu udara yang terdapat di sekitar kita cenderung bersih dari kotoran dan zat kimia yang merugikan. Udara juga dapat dibebani lebih tanpa menimbulkan bahaya yang fatal.

Secara umum udara yang dihisap oleh kompressor, akan disimpan dalam suatu tabung penampung. Sebelum digunakan udara dari kompressor diolah agar menjadi kering, dan mengandung sedikit pelumas. Setelah melalui regulator udara dapat digunakan menggerakkan katub penggerak (aktuator), baik berupa silinder/stang torak yang bergerak translasi, maupun motor pneumatik yang bergerak rotasi.

Sistim Pengumpan Benda Kerja

Gambar Contoh Aplikasi Sistim Pneumatik untuk transport benda kerja

Contoh Aplikasi pada sistim pneumatik diperlihatkan  pada Gambar Disini sistim pneumatik digunakan pada sistim pengumpan berputar untuk benda kerja berupa lembaran-lembaran. Benda kerja yang berupa lembaran diambil dari tempat penyusunannya (8) oleh pengisap-pengisap (1) yang ditempatkan pada piringan yang dapat berputar (4), kemudian ditempatkan pada konveyor belt (2) untuk diproses lebih lanjut pada mesin (3). Alat pemutar (5) berfungsi untuk memutar pengisap-pengisap, sedangkan alat pengangkat (6) berfungsi untuk menggerakan alat transport naik - turun. Alat pengangkat elektromekanik (7) digerakan oleh penggerak (6) untuk bergerak naik – turun. Benda kerja yang berupa lembaran-lembaran disusun diatas dudukan pengangkat (10)

Central Limit Theorem

Central Limit Theorem adalah hubungan antara distribusi populasi dengan bentuk distribusi sampling rata-rata. Hubungan tersebut adalah sebagai berikut:

1.      Rata-rata dari distribusi rata-rata sample sama dengan rata-rata populasi dan tidak bergantung pada besarnya sampel dan bentuk distribusi populasi.

2.      Dengan penambahan jumlah sampel maka distribusi rata-rata sampel akan mendekati distribusi normal dan tidak bergantung pada bentuk distribusi populasi.

Central Limit Theorem sangat penting dalam statistika inferensia karena dengan teorema ini memungkinkan kita untuk menafsirkan parameter populasi dari sampel tanpa harus mengetahui distribusi populasi. Dalam teorema ini diketahui bahwa untuk pendekatan ke distribusi normal, distribusi rata-rata sampel tidak memerlukan sampel yang besar. Dengan sampel sebesar 30 telah terjadi pendekatan ke distribusi normal.

Contoh:

Misalkan, jumlah kunjungan di Puskesmas per tahun berdistribusi miring ke kiri dengan rata-rata 60 orang per hari dan standar deviasi sebesar 20. Bila kita ambil sampel sebesar 30 hari buka maka berapa probabilitas jumlah kunjungan lebih dari 65 orang?

Jawab:

Pertama-tama, hitunglah kesalahan baku rata-rata kemudian hitung nilai Z untuk 65 orang.

Peluang Z=1,37 adalah 0,085 atau 8,5%.

Jadi pada intinya, jika terdapat sampel berukuran n dan mempunyai rata-rata x bar yang diambil dari suatu populasi berukuran N yang besar dengan sembarang distribusi dan rata-rata miu serta simpangan baku sigma kecil maka distribusi rata-rata akan mendekati distribusi normal dengan 

Central limit theorem berlaku untuk:

Penarikan sampel dari populasi yang sangat besar. Populasi dianggap besar jika sampel yang diambil lebih dari 30 (n>30).

Distribusi populasi tidak dipersoalkan

Ketika kita sudah menghitung nilai Z, cobalah cari peluang dengan nilai Z itu pada tabel distribusi normal. Itulah peluang yang kita cari.