13
BAB III
PERANCANGAN SISTEM
Dalam bab ini penulis akan menjelaskan mengenai perancangan sistem pemanasan air menggunakan SCADA software dengan Wonderware InTouch yang terdiri dari perangkat keras (hardware) dan perangkat lunak (software). Perancangan perangkat keras terdiri dari perangkat mekanik dan perangkat elektronik, sedangkan perancangan perangkat lunak berupa program untuk mengendalikan perangkat elektronik. Dua bagian perancangan ini memiliki kerja yang berbeda – beda, tetapi harus dijalankan bersama sehingga membentuk suatu sistem yang baik.
3.1 Perangkat Keras
Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai perancangan perangkat keras sistem yang terdiri dari perancangan mekanik dengan merancang tangki air dan perancangan perangkat elektronik dengan menggunakan komponen – komponen yang digunakan.
3.1.1 Perangkat Mekanik
14
solenoid valve electric pada tangki bagian atas dan tangki bagian bawah. Pada
tangki bagian atas, solenoid valve electric berjarak 5 cm dari tepi bagian atas tangki dan berfungsi sebagai keran otomatis untuk masuknya air ke dalam tangki, sedangkan pada solenoid valve electric di tangki bagian bawah berjarak 5 cm dari tepi bagian bawah dan berfungsi sebagai keran otomatis untuk keluarnya air dari tangki. Dua buah elemen pemanas dan sebuah termokopel terdapat di bagian bawah tangki dan masing – masing terletak 10 cm dari tepi bagian bawah tangki.
Berikut merupakan gambar perancangan tangki pemanas air dan realisasi tangki tampak depan dan tampak samping.
15
Gambar 3.2. Tangki Tampak Atas
Gambar 3.3. Tangki Tampak Samping
Diameter 40 cm
Jari-Jari 20 cm
16
Tangki ini mempunyai volume air secara penuh sebesar 62,8 liter, volume air yang akan dipanaskan sebesar 51,5 liter dan volume air yang akan dikeluarkan sebesar 32,6 liter.
Dengan spesifikasi dan perhitungan volume air sebagai berikut : Diameter d = 40 cm → Jari-Jari r = 20 cm
Tinggi t = 50 cm
Batas air pada saklar atas = 9 cm Batas air pada saklar bawah = 15 cm
Tinggi air (tair_panas) = 50 cm - 9 cm = 41 cm
Tinggi air (tair_keluar) = 50 cm - 9 cm - 15 cm = 26 cm
Volume tangki (secara penuh) :
� = πr t
� = , × cm × cm � = , × cm × cm
� = ��
� = , cm → � = , liter
Volume air yang dipanaskan :
� = πr tair_panas
� = . × cm × cm � = , × cm × cm
� = cm
� = , cm → � = , liter
Volume air yang dikeluarkan :
� =πr tair_keluar
� = , × cm × cm � = , × cm × cm
� = cm
17 3.1.2 Perangkat Elektronik
Perangkat elektronik yang diwujudkan pada sistem dalam skripsi ini yaitu PLC OMRON CPM2A-40CDR-A, PLC Analog OMRON C200H-MAD01, saklar transistor, kontaktor, relay, solenoid valve electric, elemen pemanas, termokopel, modul penguat termokopel, dan catu daya. Berikut adalah skematik bagian elektrik serta penjelasan masing – masing bagiannya.
3.1.2.1PLC OMRON CPM2A-40CDR-A
Sistem pemanas air ini menggunakan PLC OMRON CPM2A-40CDR-A. Dengan 40 I/O yang terdiri dari 24 input dan 16 output. Fungsi utama PLC ini adalah sebagai pengendali utama sistem.
18
Gambar 3.5. Bagian PLC OMRON CPM2A-40CDR-A
Sumber tegangan dari PLC OMRON CPM2A-40CDR-A sebesar 24 VDC digunakan sebagai catu daya untuk rangkaian input pada sistem. Pengkabelan (wiring) pada PLC untuk perangkat keras sebagai input dan output dapat di lihat pada gambar 3.6. Fungsi – fungsi yang dijalankan oleh PLC OMRON CPM2A-40CDR yaitu:
1. Untuk menjalankan keseluruhan kerja sistem.
2. Untuk menghidupkan dan mematikan solenoid valve electric. 3. Untuk menerima keluaran saklar transistor sebagai input.
4. Untuk membaca keluaran PLC analog OMRON C200H-MAD01 dari termokopel.
5. Untuk menghidupkan dan mematikan elemen pemanas.
6. Untuk menghubungkan sistem dengan HMI Wonderware InTouch. 7. Untuk menerima data masukan dari tombol push button.
20
Tabel 3.1. Daftar Penggunaan Pin Pada PLC OMRON CPM2A-40CDR-A
3.1.2.2PLC Analog OMRON C200H-MAD01
PLC Analog OMRON C200H-MAD01 merupakan unit komponen expansion I/O dari PLC OMRON CPM2A-40CDR-A. Dengan 3 I/O yang terdiri dari 2 input dan 1 output. PLC analog mempunyai input dan output berupa nilai tegangan dan arus, rentang nilai tegangan dan arus pada input dan output PLC analog adalah 0 – 10 VDC atau 1 – 5 VDC dan 4 – 20 mA [5]. Fungsi utama PLC analog ini pada sistem adalah untuk membaca suatu nilai tegangan keluaran yang
dihasilkan sistem dan akan masuk ke PLC utama (CPU Unit) supaya data dapat di program untuk kerja sistem. PLC Analog di sini akan membaca nilai tegangan keluaran dari termokopel dan akan di program menjadi suatu nilai berupa bit yang akan dikonversikan dan digunakan sebagai indikator nilai suhu. Termokopel akan masuk ke modul penguat termokopel, lalu keluaran penguat termokopel akan masuk ke pin V IN pada PLC analog, di mana keluaran penguat termokopel berupa nilai tegangan sehingga akan masuk ke pin input PLC analog yang berupa nilai tegangan juga.
PIN KETERANGAN
PIN 00.00 SAKLAR TRANSISTOR ATAS
PIN 00.01 SAKLAR TRANSISTOR BAWAH
PIN 00.02 PUSH BUTTON FILL_ON
PIN 00.03 PUSH BUTTON 70oC
PIN 00.04 PUSH BUTTON 65oC
PIN 00.05 PUSH BUTTON 60oC
PIN 00.06 PUSH BUTTON 55oC
PIN 00.07 PUSH BUTTON EMPTY_ON
PIN 00.08 PUSH BUTTON EMPTY_OFF PIN 00.10 PUSH BUTTON EMERGENCY (STOP) PIN 10.00 SOLENOID VALVE ELECTRIC ATAS PIN 10.01 SOLENOID VALVE ELECTRIC BAWAH
21
Gambar 3.7. PLC Analog OMRON C200H-MAD01
3.1.2.3Kontaktor Magnet (Magnetic Contactor)
Kontaktor berfungsi sebagai pengaman PLC dari elemen pemanas, karena merupakan pemutus dan penghubung tegangan PLC ke elemen pemanas. Kontaktor pada pin A2 akan mendapatkan output dari relay yang terhubung oleh
PLC dan kontaktor pada pin 2T1 dan 4T2 akan terhubung ke elemen pemanas.
22
Gambar 3.8. Kontaktor Magnet (Magnetic Contactor)
3.1.2.4Relay
Relay merupakan saklar yang berfungsi sebagai pemutus dan penghubung tegangan. Kondisi relay akan NO (Normally Open) apabila koil pada relay dalam keadaan tidak terhubung arus listrik, sehingga kontak yang ada pada relay dalam kondisi terbuka atau tidak terhubung dan kondisi relay akan NC (Normally Close) apabila koil pada relay dalam keadaan terhubung arus listrik, sehingga kontak yang ada pada relay dalam kondisi tertutup atau terhubung [6]. Relay yang digunakan yaitu relay 24 VDC, yang mempunyai kemampuan kerja pada tegangan 28 VDC dan 240 VAC, serta mampu menghantarkan arus sebesar 5 A, sehingga relay dapat bekerja dan mengaktifkan komponen pada tegangan DC maupun AC. Pada sistem pemanas air ini, relay digunakan sebagai saklar yang dapat mengaktifkan input dan output pada PLC. Komponen yang diaktifkan oleh relay yaitu :
23
2. Solenoid valve electric sebagai output dari PLC dengan pin 10.00 dan 10.01 yang menggunakan tegangan kerja 220 VAC (gambar 3.10. dan 3.11.).
3. Kontaktor sebagai output dari PLC dengan pin 10.02 yang akan mengaktifkan elemen pemanas, dengan menggunakan tegangan kerja 220 VAC (gambar 3.12.).
Gambar 3.9. Relay Omron 24 VDC
24
Gambar 3.11. Relay Pada Solenoid Valve Electric Bawah
Gambar 3.12. Relay Pada Kontaktor dan Elemen Pemanas
3.1.2.5Solenoid Valve Electric
25
Pada bagian atas tangki, solenoid valve electric pada terminal masukan (Inlet Port) terpasang selang yang terhubung pada keran air PDAM, sedangkan pada bagian terminal keluaran (Outlet Port) terhubung pada badan tangki untuk dapat mengalirkan dan mengisi air ke dalam tangki. Pada bagian bawah tangki, solenoid valve electric pada terminal masukan (Inlet Port) terhubung pada badan
tangki, sedangkan bagian terminal keluaran (Outlet Port) untuk dapat mengalirkan dan mengeluarkan air dari dalam tangki.
Gambar 3.13. Solenoid Valve Electric
26
Pada perancangan sistem, salah satu kabel pada solenoid valve electric terhubung dengan relay pada kaki no. 9 dan kaki no. 5 pada relay terhubung dengan catu daya 220 VAC. Sedangkan satu kabel lainnya pada solenoid valve electric langsung terhubung pada ground. Relay solenoid valve electric tersebut terhubung pada pin 10.00 untuk solenoid valve electric atas dan pin 10.01 untuk solenoid valve electric bawah sebagai keluaran dari PLC.
3.1.2.6Modul Saklar Transistor
Saklar ini menggunakan transistor PNP TIP32C yang memerlukan tegangan sebesar 24 VDC. Saklar ini berfungsi untuk menentukan batas level air bagian atas dan bawah pada tangki. Saklar transistor ini digunakan untuk mendeteksi ada atau tidaknya air pada tangki. Skematik saklar transistor dapat dilihat pada gambar 3.15. untuk saklar transistor bagian atas dan gambar 3.16. untuk saklar transistor bagian bawah.
27
Gambar 3.15. Rangkaian Saklar Transistor Bagian Atas
Gambar 3.16. Rangkaian Saklar Transistor Bagian Bawah
28
Transistor sebagai saklar di sini memanfaatkan mode saturasi dan cut off untuk menyambung dan memutuskan tegangan. Transistor akan saturasi pada saat VBE ≥ 0,7 V di mana nilai VCE = 0,2 V sedangkan transistor akan cut off pada saat
VBE ≤ 0,7 V dan IC = 0 A.
3.1.2.7Elemen Pemanas Air (Water Heater Element)
Elemen pemanas merupakan suatu komponen yang dapat mengubah energi listrik menjadi energi panas. Elemen pemanas berfungsi untuk memanaskan air. Elemen pemanas yang digunakan pada sistem ini ada 2 buah dan
masing – masing mempunyai daya 1000 Watt dan tegangan masukan 240 VAC, sehingga dapat di hitung berapa lama waktu yang diperlukan untuk memanaskan 51 liter air yang ada di dalam tangki.
Daya elemen pemanas = 2000 Watt
Volume air � = 51 liter Massa jenis air = 1000 kg/�
Massa air = ρ × V = 1000 kg/� × × − � = 51 kg
Kalor jenis air = 4200 Joule/kg℃ Suhu awal (T ) = 0℃
Suhu akhir T = 70℃ ∆T = T -T = 70℃
29
t = s= , menit
t = , menit= jam menit
Jadi waktu yang diperlukan untuk memanaskan air dalam tangki sebanyak 51 liter dengan menggunakan elemen pemanas yang mempunyai daya 2000 Watt adalah 2 jam 8 menit [10] [11] [12].
Total daya pemanas : Hambatan dalam pemanas :
� = Ω
� = 58 Ω
Di pasang pararel = ×
+ = , Ω
P =VR
P = , Ω V
P = , Watt
Jadi total daya yang diperlukan pemanas untuk memanaskan air dalam tangki adalah 1698,84 Watt.
30 3.1.2.8Termokopel (Thermocouple)
Termokopel yang digunakan adalah termokopel tipe K. Termokopel tipe
K dapat membaca suhu dari -200 – 1250oC dan mempunyai sensitivitas 40,44 µV/oC, tetapi batas suhu yang akan di baca pada sistem ini adalah dari 40 – 70oC [9] [13]. Nilai tegangan yang dihasilkan termokopel terlalu kecil, sehingga
membutuhkan modul penguat termokopel agar nilai tegangan yang dihasilkan
dapat terbaca oleh voltmeter dan PLC analog.
Gambar 3.18. Termokopel Tipe K
3.1.2.9Modul Penguat Termokopel (Thermocouple Amplifier)
Rangkaian penguat termokopel tipe K menggunakan IC AD595A yang mempunyai tegangan masukan +5 V sampai ± 15 V dan ralat suhu ± 3oC di atas suhu 25oC. Penguat termokopel ini menggunakan Single Supply, yaitu dapat membaca suhu dari 0 – 300oC tergantung pada tegangan catu daya yang diberikan,
31
Rumus konversi dari termokopel untuk keluaran AD595A :
� AD A = Termokopel Type K Voltage + μV × , Untuk suhu 60oC :
� AD A = , mV + × − mV × ,
� AD A = , mV
Hasil yang di dapat sama dengan yang ada di datasheet untuk IC AD595A.
Gambar 3.19. Rangkaian Dalam IC AD595A
32 3.1.2.10PanelBox
Panel box adalah modul antarmuka sistem yang berisi komponen – komponen listrik di mana operator dapat mengendalikan sistem atau mengontrol sistem, panel box juga dapat berfungsi sebagai pengaman dan kerapihan suatu instalasi listrik. Pada bagian antar muka panel box ini terdapat (dapat di lihat pada gambar 3.21.):
1 buah tombol start untuk pengisian air, yaitu tombol Fill_ON untuk mengalirkan air masuk ke tangki.
2 buah tombol untuk pengosongan air, yaitu tombol Empty_ON untuk mengeluarkan air dari tangki dan tombol Empty_OFF untuk memberhentikan air keluar dari tangki.
4 buah tombol pilihan untuk menentukan suhu yang diinginkan, yaitu tombol 70°C, 65°C, 60°C, dan 55°C.
1 buah tombol untuk keadaan darurat atau untuk menghentikan proses jalannya sistem, yaitu tombol Emergency (STOP).
Pada bagian dalam panel box terdapat, 1 buah PLC OMRON CPM2A-40CDR-A, 1 buah PLC Analog OMRON C200H-MAD01, 5 buah relay 24 VDC, 1 buah kontaktor, rangkaian saklar transistor PNP TIP32C dan modul penguat electric, kontaktor dan elemen pemanas. Catu daya 24 VDC berasal dari keluaran
33
Gambar 3.21. Antar Muka Panel Box
Gambar 3.22. Bagian Dalam Panel Box
PLC OMRON
Relay
PLC Analog
Terminal Listrik
Kontaktor
Rangkaian Saklar Transistor & AD595A
34
sumber tegangan pada relay dan saklar transistor. Sedangkan catu daya 5 VDC berasal dari power supply yang terpisah, catu daya 5 VDC merupakan sumber tegangan untuk modul penguat termokopel.
3.2. Perangkat Lunak
Sistem menggunakan 2 macam perangkat lunak yang dapat mengawasi dan mengendalikan proses kerja sistem. Perangkat lunak yang digunakan adalah program CX-Programmer pada PLC dan program HMI InTouch pada WIT. Program PLC sebagai pengendali utama sistem, sedangkan program HMI merupakan user interface (UI) yang berfungsi sebagai sarana interaksi operator dengan sistem yang dirancang. Melalui bagian ini operator dapat mengawasi dan mengaktifkan peralatan elektronik yang terhubung dengan PLC. HMI secara keseluruhan terhubung dan dikendalikan oleh bagian pengendali utama yaitu PLC. Berikut ini akan dijelaskan mengenai diagram alir program yang mewakili proses kerja sistem pemanas air.
3.2.1 Program PLC
35
36
37
dan mulai mengalirkan air dari sumber air (PDAM) untuk memenuhi tangki. Pada saat air mengalir ke dalam tangki, saklar transistor yang ada di bagian atas tangki akan mendeteksi apakah air sudah mencapai pin saklar pada batas atas air yang sudah ditentukan atau belum. Jika air sudah mencapai pin saklar transistor pada kaki basis maka saklar transistor di kaki kolektor akan mendapat tegangan sebesar 24 VDC yang akan mengaktifkan relay di pin no. 13 dan 14. Relay akan mengaktifkan PLC pada pin masukan 00.00 dan PLC akan memutuskan aliran arus listrik pada solenoid valve electric bagian atas sehingga katup akan tertutup dan berhenti mengalirkan air, tetapi jika kaki basis pada saklar transistor belum terdeteksi air maka solenoid valve electric bagian atas akan tetap ON dan terus mengalirkan air.
3.2.1.2Bagian Pemanasan Air
Apabila solenoid valve electric bagian atas sudah menutup dan air berhenti mengalir, maka keluaran PLC pada pin 10.02 akan mengaktifkan relay di kaki no. 5 dan 9 yang terhubung ke kontaktor pada pin A2. Kontaktor mendapat tegangan
sebesar 220 VAC dan akan mengaktifkan elemen pemanas yang terhubung pada kontaktor di pin 2T dan 4T. Elemen pemanas yang ada di bagian bawah tangki
38
belum mencapai batas suhu yang sudah ditentukan, maka elemen pemanas akan tetap ON untuk memanaskan air, tetapi jika suhu sudah mencapai batas suhu, maka PLC akan memutuskan aliran arus yang mengalir ke elemen pemanas.
Apabila termokopel membaca suhu air pada tangki mengalami penurunan suhu maksimum 40°C, maka PLC akan mengaktifkan elemen pemanas dan dan 9 yang terhubung ke solenoid valve electric bagian bawah, sehingga solenoid valve electric mendapat tegangan sebesar 220 VAC yang akan membuka katup
dan mulai mengalirkan air panas dari tangki. Pada saat air mengalir keluar dari tangki, saklar transistor yang ada di bagian bawah tangki akan mendeteksi apakah air sudah mencapai pin saklar pada batas bawah air yang sudah ditentukan atau belum. Jika air sudah mencapai pin saklar transistor pada kaki basis maka saklar transistor di kaki kolektor akan mendapat tegangan sebesar 24 VDC yang akan mengaktifkan relay di pin no. 13 dan 14. Relay akan mengaktifkan PLC pada pin masukan 00.01 dan PLC akan memutuskan aliran arus listrik pada solenoid valve electric bagian bawah sehingga katup akan tertutup dan berhenti mengalirkan air,
dan otomatis akan mengaktifkan solenoid valve electric bagian atas dan mulai mengisi air ke dalam tangki, tetapi jika kaki basis pada saklar transistor belum terdeteksi air maka solenoid valve electric bagian bawah akan tetap ON dan terus mengalirkan air.
39
kembali maka operator dapat menekan tombol Fill_ON pada layar HMI pengisian air atau pada panel.
3.2.2 Program WIT
Program WIT merupakan HMI yang dapat memudahkan operator dalam mengoperasikan sistem secara keseluruhan. Pada Wonderware InTouch ada 3 tahapan utama yang akan digunakan dalam membuat HMI [3], yaitu:
1. InTouch Application Manager berfungsi untuk mengorganisasikan aplikasi yang akan dibuat. Dapat di lihat pada gambar 3.25.
2. InTouch Window Maker berfungsi untuk membuat tampilan layar pada HMI. Dapat di lihat pada gambar 3.26.
3. InTouch Window Viewer berfungsi untuk menampilkan layar grafik yang telah di buat pada InTouch. Dapat di lihat pada gambar 3.27.
40
Gambar 3.26. Tampilan InTouch Window Maker
41
Pada sistem pemanas air ini tampilan HMI di buat menjadi 4 bagian yang terdiri dari :
1. Tampilan “Menu”, yaitu tampilan awal pada saat HMI di jalankan. Tampilan yang memungkinkan operator dapat memilih proses – proses yang ingin di tampilkan. Pada tampilan awal ini disediakan pilihan untuk melihat proses pengisian air, pengosongan air dan kondisi sistem saat beroperasi. Tampilan dapat di lihat pada gambar 3.28.
2. Tampilan “Status Water”, yaitu tampilan yang memungkinkan operator untuk dapat mengawasi proses kerja sistem. Operator dapat melihat kapasitas air dan suhu yang sedang di ukur. Tampilan dapat di lihat pada gambar 3.29.
3. Tampilan “Fill Water”, yaitu tampilan yang memungkinkan operator untuk dapat melakukan proses pengisian air dan pengaturan suhu. Tampilan dapat di lihat pada gambar 3.30.
4. Tampilan “Empty Water”, yaitu tampilan yang memungkinkan operator untuk dapat melakukan proses pengosongan air. Tampilan dapat di lihat pada gambar 3.31.
42
Gambar 3.29. Tampilan “Status Water”
43
