BAB II TINJAUAN PUSTAKA

4

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Tinjauan Penelitian

Riset mengenai pemantauan aliran air memakai sensor aliran air dengan mikrokontroler Arduino Uno sudah diakukan oleh Estu Adi Sambudi, Alrosyid S.Si, M.Cs. Riset yang dirancang untuk melakukan efisiensi kerja para karyawan PDAM. Sistem yang dirancang terdiri dari beberapa komponen yaitu LCD sebagai tampilan, sensor aliran air, dan juga pompa air. Perlengkapan pemantau aliran airnya memakai sensor aliran air ½ inci untuk mengukur kecepatan aliran air serta volume air. Dari riset yang sudah dilakukan mendapatkan hasil pengukuran yang ditampilkan pada tampilan LCD 16x2 dengan rentang kecepatan aliran air berkisar antara 1 sampai 30 Liter/Menit dan kesalahan dari hasil pengukuran sekitar 4%[3].

Pada penelitian yang lain oleh Rizzal Khuzzai pula sudah melaksanakan perancangan kendali keran elektrik berbasis aplikasi. Dalam penelitiannya, menggunakan mikrokontroler Arduino Uno, motor servo MG995 sebagai aktuator, potensiometer, modul bluetooth HC-05, dan juga smartphone.

Pergerakan keran diatur melalui aplikasi untuk melakukan perintah pada motor servo. Percobaan yang telah dilakukan menggunakan sistem open loop serta sistem close loop. Dari hasil pengujian tersebut didapatkan nilai rise time 1,1 detik, settling time 1,1 detik, serta maximum overshoot 0%[5].

M. R. Romadhan*, A. Jefiza, M. Arifin, dan I. K. L. N. Suciningtyas telah melakukan penelitian untuk melakukan penghematan air melalui keran otomatis yang ditujukan agar air digunakan air sehemat mungkin. Keran otomatis tersebut menggunakan sensor IR untuk mengetahui halangan atau objek yang ada didepannya. Mikrokontroler yang digunakan adalah IC ATMega328P. Motor servo MG995 juga digunakan untuk menggerakan katup pada katup yang ada pada pipa. Hasil riset tersebut menunjukkan bahwa keran otomatis ini bisa bekerja dengan baik dengan rentang jarak pada 0 s. d 10 cm[1].

5

Pengujian pertama yang dilakukan, penulis dapat menggunakan acuan sensor water flow ½ inci sebagai pemantauan aliran debit air pada rumah tangga.

Pengujian kedua, penulis dapat menggunakan motor servo MG995 sebagai aktuator kendali keluaran debit air sesuai dengan keinginan pengguna. Pengujian ketiga, penulis dapat menggunakan acuan sensor IR sebagai pendeteksi halangan yang dapat mebuka keran secara otomatis. Dari ketiga pengujian dapat diambil kesimpulan bahwa beberapa bagiaan penunjang utama sistem pengendalian debit air ini dapat memanfaatkan motor servo sebagai aktuator utama kendali keluaran air. Dan hardware seperti mikrokontroler Arduino, NodeMCU, sensor water flow, serta software Arduino IDE telah berfungsi dengan baik dan relevan dengan sistem HEROIG. Penelitian ini dirancang untuk membuat suatu sistem pemantauan dan pengendalian debit air dengan menggunakan kontrol PID yang dapat dikendalikan secara otomatis. Perancangan ini juga diupayakan dapat dikendalikan melalui aplikasi yang bisa di kategorikan sebagai suatu sistem IoT sehingga diharapkan dapat mempermudah pengguna dalam pemantauan debit air dan pengendalian keluaran debit air secara jarak jauh.

2.2 Tinjauan Komponen Penelitian

2.2.1. NodeMCU ESP8266

Dalam sebuah produk dengan sistem yang terprogram maka dibutuhkan komponen paling utama yaitu mikrokontroler yang berfungsi sebagai otak dari keseluruhan sistem. Mikrokontroler yang akan dipilih NodeMCU ESP8266 yang dapat dilihat pada Gambar 2.1. NodeMCU ESP8266 merupakan mikrokontroler yang didalamnya sudah tertanam modul wifi yang memudahkan penggunanya untuk menghubungkan pada jaringan internet. Selain itu ukuran board modulnya relatif lebih kecil dibanding dengan arduino sehingga kompatibel digunakan membuat prototype proyek. Pada NodeMCU yang digunakan ini dapat diprogram menggunakan bahasa C menggunakan Arduino IDE[6]. NodeMCU ESP8266 ini terlihat pada Gambar 2.1 dan spesifikasi gambar dapat dilihat pada Tabel 2.1.

6

Gambar 2. 1 NodeMCU ESP8266 [6]

2.2.2. Motor Servo MG995

Motor servo yang digunakan pada perancangan sistem ini memiliki fungsi sebagai aktuator yang mengendalikan sistem keluaran air berdasarkan inputannya.

Motor servo akan diatur berdasarkan derajat sudut yang nantinya akan memiliki debit tertentu saat derajat tersebut. Motor servo dirancang dengan sistem kontrol close loop, yang berguna untuk menentukan posisi derajat sudut motor servo dari poros output motor yang diinginkan. Motor servo ini terdiri dari motor direct current(DC), serangkaian gear, potensiometer, dan juga rangkaian control yang ada didalamnya[7].

Motor servo MG995 ini memiliki torsi tinggi dan fitur roda gigi logam dengan menghasilkan 10kg ekstra tinggi menghentikan torsi dalam paket kecil.

MG995 memiliki fitur anti goncangan yang ditingkatkan serta PCB dan IC yang didesain ulang sistem kontrol yang membuatnya jauh lebih akurat dari pendahulunya[7]. Motor servo yang digunakan ini diupayakan mampu untuk memutar katup pada ball valve dan juga sebagai kendali aktuator utama sistem kontrol PID. Bentuk dan spesifikasi dari motor servo dapat dilihat pada Gambar 2.2 dan Tabel 2.2.

7

Gambar 2. 2 Motor Servo MG995 [8]

2.2.3 Sensor Debit Air : Sensor Water Flow YF-S201

Sensor water flow ini digunakan sebagai sensor yang dapat menghitung aliran debit air. Sensor yang dipilih berukuran ½ inci menyesuaikan keran rumahan pada umumnya. Sensor debit air ini umumnya biasa digunakan sebagai pemantauan penggunaan air secara real time. Sensor ini salah satu bagian terpenting dalam proses akuisisi data HEROIG juga akan memerlukan sebagai pemantauan keluaran debit air yang akan keluar pada keran. Sensor debit yang dipilih ini adalah sensor water flow YF-S201 seperti pada Gambar 2.3.

Sensor ini bekerja mempergerakan rotor dengan cara menghitung jumlah pulsa yang membaca sebanyak keluaran air pada keran yang sebelumnya akan dikendalikan oleh motor servo yang akan memutarkan ball valve pada pipa. Air yang melewati katup pada sensor akan memutar rotor dengan kecepatan tertentu dan akan memberikan efek pada sensor untuk menghasilkan sinyal pulsa atau biasa disebut dengan PWM (Pulse Width Modulation). Dari keluaran PWM tersebut akan diolah pada mikrokontroler untuk menjadi data digital yang nantinya akan ditampilkan[1]. Spesifikasi sensor water flow YF-S201 dapat dilihat pada Tabel 2.3.

8

Gambar 2. 3 Sensor Water Flow YF-S201[1]

2.2.5 Pengendalian PID

Sistem HEROIG difungsikan agar dapat memantau bagaimana kondisi debit air terkini, hal ini berguna untuk memantau keluaran air yang diberikan sesuai kebutuhannya saja. Selain itu, sistem HEROIG ini juga dilengkapi dengan pengendalian debit air dengan menggunakan kontrol PID. Pada pengendalian aktuator sistem HEROIG ini memungkinkan sistem dapat stabil sesuai inputan yang diinginkan.

Sistem yang stabil dapat diperoleh dengan menggunakan beberapa metode pengendalian untuk mencapai setpoint yang diinginkan. Salah satunya dengan menggunakan metode pengendalian PID. Sistem ini akan berjalan otomatis menyesuaikan setpoint yang diinginkan.

Suatu pengendalian PID umumnya dibutuhkan beberapa parameter pengendalian untuk menstabilkan suatu sistem, diantaranya adalah parameter proporsional, integral, dan derivatif. Kontrol proporsional digunakan untuk memberikan penguatan pada sistem, dengan begitu akan mempercepat sistem untuk segera mencapai setpoint. Kontrol integral digunakan untuk menghilangkan steady state error. Kontrol derivatif digunakan untuk memberi redaman pada overshoot yang akan mengurangi overshoot yang ada pada sistem[7]. Dalam melakukan perancangan kendali PID, perlu juga dilakukan mengatur nilai parameter Kp, Ki dan Kd agar respon sistem sesuai dengan setpoint yang

9

diinginkan[10]. Tabel 2.1 menunjukkan teori bahwa parameter nilai Kp, Ki, dan Kd mempengaruhi sistem.

Tabel 2. 1 Karakteristik PID

No Parameter Waktu Naik Overshoot Waktu Turun

Kesalahan Keadaan Tunak 1 Proporsional

(Kp)

Menurun Meningkat Perubahan Kecil

Menurun

2 Integral (Ki) Menurun Meningkat Meningkat Hilang 3 Derivatif (Kd) Perubahan

Kecil

Menurun Menurun Perubahan Kecil

Kontrol proporsional akan mengalikan nilai proporsional dengan error yang dihasilkan, sehingga semakin besar nilai proporsional maka rise time semakin cepat, namun nilai proporsional yang terlalu tinggi dapat membuat sistem menjadi tidak stabil. Kontrol integral berfungsi untuk mempercepat setting time. Keluaran dari kontrol integral yaitu penjumlahan yang terus menerus dari error yang dihasilkan. Saat nilai error telah mencapai nilai 0 maka keluaran akan menjaga keadaan tersebut[5]. Keluaran sinyal PID dapat dirumuskan pada Persamaan (2.1).

𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝. 𝑒(𝑡) + 𝐾𝑖. ∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡 + 𝐾𝑑.^{𝑑𝑒(𝑡)}

𝑑𝑡 (2.1)

Dimana :

u(t) : Sinyal keluaran

Kp : Konstanta proporsional Ki : Konstanta integral Kd : Konstanta derivatif e(t) : error

dt/ts : waktu sampling

Selisih atau deviasi antara variabel proses (PV) dengan nilai acuan atau setpoint (SP) disebut dengan error sehingga dapat dirumuskan pada Persamaan (2.2) [9].

10

𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 = 𝑆𝑃 − 𝑉𝑃 (2.2)

Konsep blok diagram yang ada pada sistem ini diberikan pada Gambar 2.4.

Gambar 2. 4 Blok Diagram Sistem Kendali PID HEROIG

Pada Gambar 2.4,dapat dilihat bahwa sistem kendali PID dibutuhkan pada sistem close loop dimana kestabilan air dibutuhkan sampai pada titik(setpoint) tertentu.

Pengendali menggunakan mikrokontroler dan motor servo berlaku sebagai plant pada sistem kendali HEROIG, pada alat ini diharapkan dapat mengeluarkan keluar debit air sesuai input yang diinginkan oleh karena itu diperlukan sensor water flow yang berlaku sebagai penghitung aliran debit air. Dalam aplikasi produk HEROIG menggunakan pengendali PID sebagai pengendali keluaran air keran sesuai dengan inputan. Secara teori maksimum overshoot dan settling time mempunyai hubungan yang berbanding terbalik[10]. Adapun beberapa kriteria performansi dalam sistem PID yang nantinya akan digunakan[11] sebagai berikut:

1. Error steady state yaitu selisih antara nilai aktual dengan nilai setpoint.

2. Rise time yaitu waktu yang dibutuhkan respon sistem untuk naik dari 0%

sampai 100%.

3. Settling time adalah waktu respon untuk mencapai setpoint hingga menetap pada fraksi sebesar 2% sampai 5%.

4. Maximum overshoot yaitu puncak lonjakan maksimum pada respon sistem.