3 . 1 P e r a n g k a t K e r a s
Perancangan perangkat keras/Hardware pada Tank Monitor System SPBU bertujuan untuk mengambil data, status, dan keadaan tangki untuk kemudian diubah menjadi sinyal digital yang akan diolah dan ditampilkan oleh Komputer. Termasuk didalamnya antara lain unit sensor, modul kontroller untuk komunikasi , modul data Acquisisi Analog input, digital input dan beberapa komponen tambahan lainnya. Khusus modul kontroller untuk komunikasi tipe ADAM-4520, modul data acquisisi Analog input tipe ADAM-4017 dan Digital input tipe ADAM-4053 menggunakan produk standard industri dari ADVANTECH.
Adapun produk data acquisisi dan kontroler yang merupakan standard industri harus memiliki kelebihan dan ciri-ciri antara lain :
1. Memiliki range level tegangan Analog Input dan level tegangan Digital Input yang lebar.
2. Range tegangan supply yang relatif lebih lebar, karena mengingat keadan tegangan di Industri yang tidak stabil dan sering naik-turun.
3. Adanya proteksi tegangan yang baik, jika terjadi tegangan puncak (peak/Surge) yang mendadak dan cepat. Proteksi ini biasanya diberikan rangkaian tambahan berupa Opto-isolation.
4. Tahan terhadap segala keadan di Pabrik / Industri ( Debu, bahan kimia, dan tahan terhadap temperatur hingga 80°C ).
5. Mempunyai MTBF ( Mean Time Between failure ) yang lama yaitu usia komponen tersebut jika beroperasi. Karena pada industri modul tersebut beroperasi secara terus-menerus selama 24 Jam.
Desain Hardware dapat dikelompokkan menjadi 2 bagian utama, yaitu RTU dan Master. Komunikasi data antara RTU dan Master dilakukan dengan menggunakan standard komunikasi RS-485, yang memiliki keunggulan dalam hal jarak yang bisa mencapai 1,2 Km. Hal ini dilakukan mengingat jarak antara tangki (RTU) dengan control room (Master) cukup jauh. Oleh karena standard komunikasi pada PC adalah RS-232 maka perlu diubah menjadi standard komunikasi RS-485 dengan menggunakan modul kontroller komuniasi RS-232 to RS-485 converter produk dari ADVANTECH.
Sistem RTU dan Master secara lengkap dapat dilihat pada gambar 3.1.
Gambar 3.1 Sistem RTU dan Master Tank Monitoring
+9V +9V +9V
+9V
Sensor level (stick) Tangki 1
Sensor level (stick) Tangki 2
Sensor level (stick) Tangki 3
Sensor level (stick) Tangki 4 AI0 AI1 AI2 AI3 ADAM-4053 Komparator Komparator Komparator Komparator ADAM-4017 Sensor pintu tangki 1 Sensor pintu tangki 2 Sensor pintu tangki 3 Sensor pintu tangki 4 Sensor Air tangki 1 Sensor Air tangki 2 Sensor Air tangki 3 Sensor Air tangki 4 DI0 DI1 DI2 DI3 DI8 DI9 DI10 DI11 Data + Data -Data + Data -ADAM-4520 Data + Data -RS-485 Industrial Computer RS-232 RS-232 to RS-485 converetr Analog Input Digital Input Plant (RTU) Control Room (Master) 1 2 3 1 1 1 2 2 2 3 3 3
3.2 Sistem Komunikasi Industri RS-485
EIA RS-485 banyak digunakan di industri sebagai komunikasi dua arah. Terutama dikembangkan untuk industri yang memakai sistem komunikasi multi drop yang dapat mengirim dan menerima data dengan kecepatan tinggi dan jarak yang jauh.
Spesifikasi dari protocol EIA RS-485 adalah sebagai berikut : 1. Jarak maksmum 1200 meter.
2. Kecepatan transfer data sampai dengan 10 Mbps atau lebih.
3. Transmisi dengan cara differensial dengan resistansi yang tinggi terhadap noise.
4. Maksimum 32 titik per segment.
5. Komunikasi dua arah antara master dan slave melalui sepasang kabel. 6. Hubungan secara parallel untuk tiap-tiap titik melalui multi drop.
3.2.1 Diagram Dasar Jaringan
Multi drop RS-485 menggunakan sepasang kable tiap segmen. Modul yang dihubungkan dengan sepasang kabel tersebut dinamakan drop kabel. Dimana hubungan tersebut dilakukan secara paralel sehingga dilakukan atau penyambungan atau pemutusan hubungan tiap-tiap titik modul tidak mempengaruhi seluruh jaringan. Modul ADAM menggunakan strandart RS-485 dan menggunakan perintah ASCII sehingga dapat dihubungkan dan dapat berkomunikasi dengan seluruh komputer yang dapat menggunakan perintah ASCII (misal PC IBM atau kompetible IBM).
Beberapa metode hubungan jaringan RS-485, antara lain sebagai berikut: 1. Daisy Chain :
Seluruh modul dihubungkan langsung pada sepasang kabel utama. Dimana setiap akhir segment dapat ditambahkan sebuah repeater jika sinyal tersebut lemah. Total seluruh modul yang dapat dihubungkan dengan sepasang kable utama (data+ , data-) dapat mencapai 255 modul yang dapat dialamati. Modul ADAM konverter, modul ADAM Repeater dan house komputer adalah modul yang tidak dapat dialamati, sehingga tidak termasuk dalam hitungan 255 modul diatas.
2. Hubungan Star :
Pada hubungan ini repeater dihubungkan dari sepasang kabel utama dan dari masing-masing repeater tesebut dihubungkan dengan modul-modul ADAM yang dapat dialamati. Sehingga masing-masing modul ADAM yang dapat dilamati tersebut yang hanya dihubungkan dengan modul ADAM repeater saja. Jenis hubunga ini tidak dapat dilakukan jika jaraknya sangat jauh karena bisa menimbulkan signal distortion pada hubungan tersebut.
3. Hubungan Random :
Jenis hubungan ini adalah gabungan antara kedua jenis hubungan diatas dan terkesan lebih acak.
3.3 Remote Terminal Unit
Remote Terminal Unit (RTU) dipasang di sekitar tangki (plant), dimana didalam RTU terdapat unit sensor, modul data acquisisi Analog input (Advantech ADAM-4017) , modul data acquisisi Digital Input (Advantech ADAM-4053), dan
komponen tambahan pendukung lainnya. Untuk sensor pada tangki terdapat sensor level (ketinggian) bahan bakar, sensor air dan sensor pintu tangki.
3.3.1 Sensor
Sensor adalah sesuatu yang digunakan untuk mendeteksi adanya perubahan lingkungan fisik atau kimia. Variabel keluaran dari sensor yang diubah menjadi besaran listrik disebut Transduser.
A. Sensor Level ( Ketinggian Bahan Bakar )
Untuk Tangki indikator yang perlu diambil data dan statusnya antara lain; ketinggian bahan bakar, sensor air dan tutup Tangki.
Bentuk tangki yang seperti demikian menyebabkan perbandingan kenaikan ketinggian bahan bakar dengan volume bahan bakar tidak Linear. Hal ini dapat diatasi dengan bantuan perangkat lunak /Software, sehingga sesuai antara kenaikan bahan bakar pada tangki dengan volume bahan bakar..
Prinsip kerja dari sensor sangat mirip dengan sebuah Potensiometer. Dimana dengan naik-turunnya pelampung yang menunjukkan ketinggian Tangki juga akan menyebabkan naik-turunnya nilai resistansi. Prinsip kerja sensor ini dapat ditunjukkan pada gambar dibawah.
Pada sensor level (stick) terminal no.1 dihubungkan dengan tegangan +9 Volt terminal no.3 dihubungkan dengan ground (GND) dan terminal no.2 dihubungkan dengan analog input modul ADAM-4017. Pada sensor level ini
terdiri dari susunan resistor dengan nilai risistansi tertentu dan
terdapatmicroswitch. Jika pelampung naik/turun pada ketinggian tertentu maka nilai resistansi akan berubah-ubah. Dan jika diberikan tegangan pada
terminal-terminal tersebut diatas maka pada terminal-terminal no.2 akan menghasilkan tegangan yang Variatif antara 0-9 Volt. Digunakan suply tegangan DC 9 Volt karena modul Analog Input ADAM-4017 memiliki level tegangan antara 0-10 Volt dan level arus 4-20 mA.
Gambar 3.2 Sensor dan Tangki Bahan Bakar
Gambar 3.3 Prinsip Dasar Sensor Level (Ketinggian) Bahan Bakar
Tangki 2 ,5 m Bahan Bakar (Solar/Premium/Premix) Sensor Level Box connector kabel Pelampung 1 2 3 Resistance 0% 100%
B. Sensor Pintu Tangki
Pada sensor pintu digunakan Magnetic Switch. Yaitu switch yang bekerja berdasarkan gaya magnet, jika suatu magnet didekatkan pada switch tersebut maka switch akan menutup (close) dari kondisi semula yang terbuka (Open).
Gambar 3.4 Magnetic Switch Tampak Atas dan Tampak Samping
Output dari magnetic switch akan dihubungkan dengan modul data acquisisi ADAM-4053 sebagai Digital Input. Sehingga dapat diketahui apakah pada saat itu pintu Tangki dibuka atau tidak, karena pada dasarnya pintu Tangki hanya dibuka saat ada pengisian bahan bakar.
C. Sensor Air
Bahan bakar (Premium/Solar/Premix) mempunyai resistansi yang besar, sedang air mempunyai resistansi yang kecil. Maka dengan prinsip inilah maka perlu memodifikasi sendiri sensor air, selain untuk menghemat biaya juga penggantian komponen tidak perlu menunggu terlalu lama karena harus
Magnetic Switch Permanent Magnet Tampak Atas Tampak samping
menunggu barang yang harus diimpor dari luar. Prinsip dasar dari sensor air, pada dasarnya adalah dua buah kawat tembaga yang diletakkan sepanjang sensor level (stick) dan memanjang ke dalam Tangki. Jika pada bahan bakar terdapat air maka secara automatis kedua tembaga akan terhubung singkat hal ini dianalogikakan sebagai sebuah switch. Rangkaian tambahan berupa Op-Amp sebagai comparator
untuk membandingkan antara tegangan referensi dengan pengaturan
Potensiometer dengan tegangan dari sensor air. Dimana rangkaian comparator Op-Amp untuk sensor air dapat dilihat pada gambar 3.5.
Gambar 3.5 Op-Amp Comparator Untuk Sensor air
Prinsip kerja dari comparator ini adalah membandingkan tegangan antara tegangan dari input (+) dengan input (-) dari Op-Amp. Dimana input (+) dihubungkan dengan Variable Resistor (VR) 10K, dan input (-) dihubungkan dengan sensor air yang sebelumnya di Pull Up dengan resistor 4M7. Jika pada tangki tidak terdapat air maka sensor air yang berupa dua kawat tembaga seolah-olah terbuka sehingga input (-) lebih positip dari input (+), maka output dari komparator akan sama dengan 0V. Dan jika pada tangki terdapat air, maka sensor air yang berupa dua kawat tembaga akan terhubung sehingga tegangan input (+)
+12V Sensor Air Output 4M7 VR 10K CA339
lebih positip dari tegangan input (-) karena arus dari resistor Pull Up 4M7 akan menuju Ground (GND). Sehingga tegangan output menjadi +12V. Dan tegangan output ini kemudian dihubungkan dengan modul data acquisisi ADAM-4053 Digital input. Modul data acquisisi ADAM-4053 memiliki spesifikasi digital input level ‘0’ : 0 s/d +1V max, dan level ‘1’ : +3.5 s/d +30V max.
3.3.2 Modul Remote Data Acquisisi
Modul remote data acquisisi yang digunakan di sisi RTU (Remote Terminal Unit) adalah modul Analog Input ADAM-4017 modul Digital Input ADAM-4053 keduanya produk dari Advantech. Modul remote data Acquisisi tersebut menggunakan standard komunikasi multi drop RS-485. Pada standard komunikasi multi drop RS-485 data komunikasi mempunyai format komunikasi Serial namun data dihubungkan melalui diferential tegangan Data + dan Data -. Standard komunikasi RS-485 disebut sebagai Multi Drop karena dari kabel data + dan data- dapat dipasang beberapa node (titik) modul data acquisisi, dan menggunakan prinsip ID untuk mengalamati masing-masing modul data acquisisi tersebut.
A. ADAM-4017 ( Analog Input )
ADAM-4017 memiliki 8 chanel Analog input yang ke-8 input channel dapat diprogram. Di sisi input dari ADAM-4017 terdapat opto isolator yang memberikan isolasi sampai dengan 500 Vdc. Modul ADAM-4017 menggunakan standard komunikasi multi drop RS-485 dan menggunakan microprocessor dan A/D converter 16-bit. Dan output data berupa satuan teknik seperti Volt, Ampere. Hal ini dapat dilakukan karena data dari ADC masuk ke Microprocessor dan data
tersebut diubah oleh microprocessor ke dalam satuan Volt, Ampere, Sehingga hal tersebut memudahkan dalam pemrograman karena data output yang dibaca sudah berupa data real dalam Volt atau Ampere dan tidak dalam bentuk Hexadesimal. Selain itu microprocessor juga mengatur komunikasi dengan RS-485.
Pada tabel 3.1. menunjukkan spesifikasi teknik dari modul data Acquisisi ADAM-4017
Tabel 3.1 Spesifikasi Teknik ADAM-4017
No. Jenis Spesisfikasi
1 Analog input Channel 6 differential
2 Single Ended
2 Input Type MV, V, Ma
3 Input Range ±150mV, ±500mV
±1V, ±5V, ±10V ±20mA
4 Sampling rate 10 sample/sec (total)
5 Accuracy ±0.1 % or better 6 Zero drift ±0.03 mV/°C 7 Span drift ± 25ppm/°C 8 Power Requirements +10 to +30 Vdc ( non regulated ) 9 Power Consumption 1.2 W
Gambar 3.6 Blok Diagram Rangkaian Modul ADAM-4017
Gambar 3.7 ADAM-4017
B. ADAM-4053 ( 16 Channel Digital Input )
ADAM-4053 merupakan modul data acquisisi digital input 16 Channel. Dengan level tegangan input logic ‘1’ :+3,5V to +30V dan level logic ‘0’ : +1Vmax. ADAM-4053 memiliki range tegangan level logic ‘0’ dan logic’1’ yang lebar dimaksudkan karena pada industri tegangan tidaklah konstan dan stabil sehingga modul data acquisisi ini sangat cocok di industri. Selain itu modul ADAM-4053 juga dilengkapi dengan optoisolated signal yang berfungsi untuk proteksi tegangan digital input yang memiliki tegangan surja yang tinggi. Proteksi
mV/V/mA +In0 -In0 +In7 LPF Filter 10Hz mV/V/mA 16 Bit A/D Converter Buffer PGA Microcontroller 80188 RS-485 comm Data + Data -EEPROM Config Data Alarm Seting Photo Isolation
ini mencapai tegangan 500Vdc. Pada tabel dibawah diberikan data spesifikasi teknis dari ADAM-4053.
Tabel 3.2 Spesifikasi Teknik ADAM-4053
Pada gambar 3.8 dibawah merupakan gambar blok diagram rangkaian
ADAM-4053.
Gambar 3.8 Blok Diagram Rangkaian Modul ADAM-4053
Microcontroller untuk semua modul data Acquisisi menggunakan microcontroller 80188 produksi intel.
No. Jenis Spesifikasi
1 Digital Input Channel 16 Channel
2 Digital Input Logic level 0 :+1V max
Logic level 1:+3,5 to +30 V 3 Isolation Voltage 500Vrms 4 Power Suply +10 to +30 Vdc Microcontroller 80188 RS-485 comm Data + Data -EEPROM Config Data Alarm Seting 16 Channel Digital Input . . . . . . . Photo Isolation DI0 + DI0 -+5V DI15 + DI15 -+5V
3.4 Master
Master diletakkan di ruang kontrol room, dimana pada master semua kegiatan monitoring dan pengolahan data dilakukan pada komputer PC. Disini komputer PC dipilih menggunakan industrial Komputer mengingat kondisi komputer yang harus menyala terus menerus selama 24 Jam. Industrial Komputer yang digunakan produk dari Advantech dengan Tipe IPC-610. Selain itu pada sisi Master terdapat modul ADAM-4520 Konverter RS-232 to RS-485 produk dari Advantech. Sehingga komunikasi antara Master dengan RTU menggunakan komunikasi multi drop RS-485.
Pada komputer PC terdapat perangkat lunak (Software) untuk monitoring tangki dan perangkat lunak untuk pengolahan data hasil pencatatan (record) keadaan dan status tangki sehari-hari. Sehingga ketika terjadi perubahan pada keadaan/status tangki sewaktu-waktu operator dapat mengetahui, operator tanpa harus memantau didepan komputer secara terus-menerus. Selain itu pada perangkat lunak terdapat password untuk operator, jika terjadi pergantian shift operator. Pada sisi Master ada 2 bagian besar yang dapat dijelaskan diantaranya; modul kontroller ADAM-4520 dan Komputer (PC).
konverter ini mengubah format komunikasi standard RS-232 pada komputer PC menjadi format komunikasi standard RS-485 pada modul data acquisisi (ADAM-4017, ADAM-4053). Seperti pada gambar 3.1. diatas dapat dilihat, kabel data komunikasi ( data + dan data - ) dihubungkan antara modul ADAM-4017, ADAM-4053 dan ADAM-4520 menjadi satu. Sehingga untuk membedakan antara modul ADAM-4017 dan modul ADAM-4053 menggunakan sistem pengalamatan pada masing-masing modul. Sedang proses pengambilan
data antara modul ADAM-4017 dan modul ADAM-4053 komputer PC akan mengirim data alamat tertentu pada serial RS-232 yang secara otomatis akan didekode oleh ADAM-4052 menjadi format RS-485 dan data alamat tersebut akan secara otomatis akan menunjuk modul data acquisisi yang mempunyai alamat tersebut.
Gambar 3.9 Blok Diagram Rangkaian ADAM-4520
Pada sistem komunikasi RS-485, oleh karena hubungan antara modul data Acquisisi menggunakan 2 jalur kabel yaitu Data(+) dan Data (-), maka untuk membedakan antara modul data acquisisi satu dengan lainnya dengan menggunakan prisnsip pengalamatan ID. Prinsip pengalamatan ID pada standard komunikasi RS-485 dapat mencapai alamat FFH (255) sehingga maksimum modul data acquisisi yang dapat dipasang pada komunikasi ini untuk 1 jalur data sebesar 255 modul data acquisisi.
RS-232 Receiver/ Driver TXD RXD RTS GND DATA Microcontroller 80188 DATA RS-422/ RS-485 Receiver/ Driver Opto Coupled Isolation Data + Data -TX + TX -RX + RX -RS-485 Direction Control Logic GND GND 4,9152MHz Osc RS-422
