DASAR TEORI
2.1 Programmable Logic Controller
Pada dasarnya programmable logic controller adalah sebuah alat kendali yang dirancang khusus untuk mengontrol suatu proses atau mesin. PLC juga merupakan komputer digital yang digunakan sebagai proses automasi elektromekanik pada industri yang dirancang untuk berbagai keperluan terdiri dari perangkat masukan analog dan digital disertai susunan perangkat keluaran[1].
Gambar 2.1 Programmable Logic Controller Mitsubishi FX3G-40MT/ES Menurut NEMA (National Electrical Manufactures Association) PLC adalah suatu alat elektronika digital yang berbasis mikrokontroler dan menggunakan memori yang dapat diprogram untuk menyimpan dan mengaplikasikan instruksi-instruksi dari suatu fungsi tertentu, seperti logika, sekuensial, pewaktuan, pencacahan, dan aritmatika dalam rangka mengendalikan suatu sistem[2].
Walaupun istilah PLC secara bahasa berarti pengontrol logika yang dapat diprogram, tapi pada kenyataannya saat ini PLC secara fungsional sudah dapat
melakukan perhitungan aritmatika yang relatif kompleks, fungsi komunikasi, dokumentasi dan lain sebagainya[3].
Beberapa keuntungan dan kemudahan yang didapat dengan menggunakan PLC sebagai alat kendali adalah sebagai berikut :
1. Fleksibel.
2. Mudah dalam pembuatan dan pengelolaan program. 3. Mudah dalam pemeliharaan dan perbaikan.
4. Memiliki banyak fasilitas dan lebih fungsional.
5. Dapat dilakukan monitoring secara visual baik dalam hal ini menggunakan LabVIEW.
6. Dapat bekerja pada jangkauan suhu yang cukup luas. 7. Kebal terhadap gangguan elektrik, getaran dan tekanan.
Programmable Logic Controller yang digunakan untuk merancang sistem kendali dalam tugas akhir ini adalah PLC Mitsubishi dengan spesifikasi seperti pada tabel 2.1 sebagai berikut :
Tabel 2.1 Spesifikasi PLC Mitsubishi FX3G-40MT/ES
Spesifikasi Umum Keterangan
Power Supply 100-240 V AC (+10% / -15%), 50/60 Hz
Model Output Transistor (sink)
Jumlah I/O 40 (24 Input & 16 Output) Maximum Output Switching Voltage 5-30 V DC
Maximum Output Current @ 0.5 Ampere
Internal Fuse 3 Ampere
2.1.1 Komponen Pendukung Sistem
Pada dasarnya sistem yang dibuat memiliki keperluan tambahan. Diantaranya adalah : Modul Analog Input, RTD PT100 Temperature Sensor Transmitter, MCB (Mini Circuit Breaker), Relay 24 V, Terminal Block dan Kabel Konverter SC09.
1. Modul Analog Input
Gambar 2.2 Modul Analog Input Mitsubishi FX2N-2AD
Modul analog input ini menggunakan FX2N-2AD yang merupakan modul extension atau perangkat tambahan yang disediakan oleh Mitsubishi untuk dapat membaca nilai perubahan analog seperti tegangan maupun arus menjadi nilai digital. Dalam hal ini modul analog yang digunakan dikonfigurasikan sebagai pembacaan nilai tegangan. Modul ini hanya terdapat 2 buah channel yang dapat membaca perubahan nilai tegangan maupun perubahan nilai arus. Dalam tugas akhir ini modul analog input difungsikan untuk membaca perubahan nilai tegangan. Hal ini dikarenakan hasil keluaran dari RTD PT100 Temperature Sensor Transmitter yang merupakan nilai perubahan tegangan.
2. RTD PT100 Temperature Sensor Transmitter
Modul pembacaan analog FX2N-2AD tersebut tidak dapat secara langsung membaca sensor RTD, diakibatkan karena sensor RTD mengalami perubahan nilai hambatan setiap terjadinya perubahan suhu terhadapnya.
Gambar 2.3 RTD PT100 Temperature Sensor Transmitter
Oleh karena itu dalam hal ini digunakan modul konverter yang mengandung rangkaian pembagi tegangan dan memiliki rangkaian penguat didalamnya untuk dapat merubah nilai hambatan menjadi perubahan nilai tegangan, hal ini disebabkan perubahan nilai hambatan sensor RTD yang sangat kecil. Pada tabel 2.2 di bawah ini ditunjukkan spesifikasi dari RTD PT100 Temperature Sensor Transmitter.
Tabel 2.2 Spesifikasi RTD PT100 Temperature Sensor Transmitter
Parameter Value Working Voltage 24 Vdc Measuring Range 0 ~ 100C Output Voltage 0 ~ 5 Vdc Accuracy ± 0,2 % Material Plastic
3. Modul Analog Output
Modul analog output ini menggunakan IC DAC0808. DAC0808 merupakan IC Digital to Analog Converter yang membutuhkan tambahan penguat pada bagian keluarannya, dalam hal ini menggunakan IC LM324. Pada bagian masukan digital ditambahkan IC CD4094 sebagai shift register yang membuat keluaran dari PLC hanya membutuhkan sedikit pin keluaran.
4. Driver Motor
Driver motor ini menggunakan IC L298N Dual H-Bridge sebagai driver motor DC dengan tegangan kerja 12 VDC dan arus maksimum 2A.
5. MCB (Mini Circuit Breaker)
Mini Circuit Breaker digunakan untuk mengatasi arus lebih yang terjadi akibat kesalahan yang terjadi pada rangkaian. Pemasangannya terhadap tegangan masukan dari jala-jala 220 volt menuju ke Modul PLC. MCB yang digunakan berkapasitas 2 A.
6. Relay 24 Volt
Relay 24 Volt digunakan sebagai penggerak tingkat 1 setelah rangkaian transistor yang berada pada PLC tersebut. Alat ini menggunakan coil dengan tegangan kerja 24 volt karena tegangan regulasi yang dihasilkan oleh PLC merupakan tegangan DC 24 Volt. Relay ini yang nantinya dapat menghubungkan dan memutuskan rangkaian dari suplay tegangan untuk mengendalikan heater.
5. Terminal Block
Terminal Block merupakan komponen tambahan yang digunakan sebagai penghubung antara modul satu dengan modul lainnya dengan menggunakan sejumlah kabel.
6. Kabel Konverter SC09
Gambar 2.4 Kabel SC09
SC09 merupakan kabel yang digunakan untuk dapat memprogram PLC dan komunikasi antara PLC dengan Komputer. Kabel ini juga yang digunakan untuk dapat memonitoring secara langsung keadaan sistem dari PLC ke komputer.
2.1.2 Software Pemrograman
Pada dasarnya setiap vendor PLC sudah memiliki software pendukungnya sendiri sebagai tools untuk memprogram PLC nya. Dalam hal ini Mitsubishi menggunakan GX-Developer sebagai software pemrogramannya. GX-Developer Versi 8.95 Z (SW8D5C-GPPW-E) merupakan series dari MELSOFT yang telah terupdate dan seri ini yang sudah mendukung untuk PLC seri FX3G. Software ini mendukung untuk bahasa pemrograman Ladder Diagram dan Squential Function Charts. Dalam tugas akhir ini penulis menggunakan bahasa pemrograman Ladder Diagram, dikarenakan kemudahan dalam penggunaan programnya yang menyerupai prinsip rangkaian terpadu.
2.1.3 Ladder Diagram
Ladder Diagram atau dengan kata lain diagram tangga merupakan bahasa pemrograman yang terdapat pada setiap PLC yang dirancang untuk memudahkan dalam penggunaannya. Dari bahasanya ladder diagram merupakan diagram yang berbentuk seperti tangga dan memiliki anak tangga, dimana setiap anak tangga mewakili untuk setiap program yang akan dikerjakan secara sekuensial atau berurutan.
Gambar 2.5 Contoh Ladder Diagram
2.2 Sistem Tangki Berpengaduk
Tangki berpengaduk merupakan suatu sistem yang dibangun pada industri yang membutuhkan pemanasan suatu cairan dan membutuhkan suhu cairan yang merata pada seluruh bagiannya. Tangki berpengaduk terdiri dari boiler dan pengaduk cairan.
Boiler atau yang dikenal dengan ketel uap. Alat ini biasa digunakan untuk memanaskan air yang terdapat pada tungku atau ketel. Boiler ini biasanya mendapatkan energi panas dari bahan bakar maupun sistem pemanas yang mampu memanaskan air. Sistem pemanasan ini banyak dibutuhkan pada industri yang membutuhkan pemanas cairan dan menjaga agar suhu carian tetap terjaga. Pada prinsipnya pemanas akan bekerja selama suhu yang terbaca pada boiler masih
berada dibawah batas maksimum temperature maupun suhu masih rendah. Jika suhu sudah mencapai nilai toleransi daripada suhu maksimum yang ditentukan, maka pemanas pada boiler akan padam untuk sesaat hingga batas toleransi yang diberikan untuk pemanas dapat bekerja kembali.
Pada perancangannya tangki berpengaduk terdiri atas 2 buah sensor suhu menggunakan jenis RTD, 1 buah Heater, dan 1 buah Motor DC sebagai pengaduk cairan.
2.2.1. Sensor Suhu RTD
Sensor suhu RTD atau Resistance Thermal Detector yang disebut juga Resistance temperature detector merupakan sebuah sensor yang digunakan untuk menentukan nilai atau besaran temperatur atau suhu dengan menggunakan elemen sensitif dari beberapa jenis kawat seperti platina, tembaga, atau nikel murni, yang memberikan nilai tahanan yang terbatas untuk masing-masing temperatur di dalam kisaran suhunya[4].
Gambar 2.6 Sensor Suhu Resistance Thermal Detector
RTD memiliki beberapa kelebihan dan kekurangan diantaranya adalah Kelebihan RTD (PT100) :
2. Kemampuannya tidak terganggu pada kisaran suhu yang luas. Kekurangan RTD (PT100) :
1. Respon waktu awal yang sedikit lama (0,5 s/d 5 detik, tergantung kondisi penggunaannya).
2. Jangkauan suhu RTD lebih rendah dari pada termokopel.
Sensor suhu yang digunakan pada tugas akhir ini adalah PT100. PT100 Platinum Resistance Temperature Sensor (PRTs) merupakan sensor yang mengukur tingkat hambatan dari elemen platina. Spesifikasi dari sensor suhu PT100 adalah sebagai berikut :
1. Rentang pengukuran suhu adalah -20 °C ~ +250 °C
2. Tahan terhadap air (waterproof), dapat mendeteksi suhu cairan. 3. Ukuran diameter sensor 5 mm dengan panjang 70 mm.
4. Insulator pada bagian dalam dari bahanfiberglass.
Sensor ini juga memiliki nilai resistansi 100 Ω pada 0°C dan 138,4 Ω pada 100°C. Hubungan antara suhu dan nilai hambatan ini dapat dianggap linear pada rentang suhu yang pendek, misalnya untuk rentang antara 0 hingga 100°C, dengan rentang kesalahan pada 50°C hanya sebesar 0,4°C hal ini ditunjukkan pada gambar 2.7 di bawah ini.
Gambar 2.7 Grafik perubahan nilai resistansi terhadap perubahan suhu Temperatur e R es is ta ns i °C Ω
Untuk sensor PT100 ini, perubahan suhu sebesar 1°C akan menyebabkan perubahan hambatan sebesar 384 mΩ,perubahan ini sangatlah kecil. Oleh karena itu digunakan RTD PT100 Temperature Sensor Transmitter yang memiliki faktor penguatan[5].
2.2.2. Heater
Heater atau pemanas air merupakan komponen utama dalam memanaskan tangki berpengaduk. Dalam praktiknya banyak sekali ditemukan berbagai macam pemanas cairan yang digunakan pada industri seperti pemanas yang menggunakan elemen pemanas dan dengan memanfaatkan gas panas dari pada sistem exhaust mesin lain. Pada dasarnya pemanas yang digunakan dalam tugas akhir ini menggunakan elemen pemanas air biasa dengan tegangan kerja 220 V dan daya 150W yang ditunjukkan pada gambar 2.8, hal ini digunakan untuk mensimulasikan pemanas tangki dan cairan yang digunakan adalah air biasa.
Gambar 2.8 Pemanas Air
2.2.3. Motor DC
Motor DC digunakan untuk mengaduk air. Hal ini bertujuan untuk membuat suhu air menjadi homogen secara keseluruhan atau dengan kata lain cairan akan mendapatkan suhu yang merata untuk seluruh bagiannya. Untuk menggerakkan motor DC tersebut dipasang sebuah power supply 12V dan driver motor. Motor DC ini terpasang dengan aluminium batang yang difungsikan sebagai
as untuk menghubungkannya dengan blade berupa fan dari kipas pc. Motor DC ini memiliki tegangan kerja hingga 24 VDC. Namun dalam penggunaanya motor DC ini hanya diberikan tegangan maksimum 12 VDC, hal ini dikarenakan dengan tegangan kerja diatas 12 VDC putaran motor terlalu cepat dalam mengaduk air hingga menyebabkan limpahan air pada miniatur tangki berpengaduk.
Gambar 2.9 Motor DC
2.3 LabVIEW
LabVIEW atau yang disebut juga dengan Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench adalah sebuah software pemrograman yang dikembangkan untuk pemrograman visual yang merupakan produk dari Nasional Instrument. LabVIEW biasa digunakan dalam pemrograman grafis dan beberapa aplikasi yang dapat dibuat menggunakan LabVIEW diantaranya seperti pengujian dan pengukuran, akuisisi data, kendali instrumentasi, data logging, dan analisis pengukuran. Hubungan antara aplikasi LabVIEW, OPC dan PLC adalah :
1. Monitoring dan pengelolaan yang terprediksi 2. Data Logging
3. Statistik dari proses kendali
4. Pertukaran data antara PLC dengan perangkat automasi lainnya dan aplikasi komputer
5. Pengembangan antarmuka secara grafis. 6. Deteksi alarm, pemetaan dan pelaporan.
LabVIEW dapat menggambarkan proses kendali dari suatu proses yang dapat berbentuk animasi sehingga LabVIEW memiliki pendekatan seperti SCADA. SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) merupakan suatu sistem yang telah dikembangkan untuk keperluan sistem kendali yang umumnya diproduksi untuk dasar sistem kendali dan automasi melalui komputer. Fitur yang dimiliki SCADA adalah antarmuka berupa grafis, mirip dengan proses yang terjadi (meniru proses sebenarnya), proses yang real time dan memiliki historic trending, memiliki sistem alarm, akuisisi data, perekaman data, analisis data dan dapat membuat laporan dari keadaan yang terjadi pada sistem[6].
2.3.1. Front Panel
Gambar 2.10 Front Panel LabVIEW
Dalam membuat tampilan (Graphical User Interface) program aplikasi LabVIEW dapat menggunakan tools yang dikenal dengan istilah front panel. Front Panel umumnya terdiri dari kontrol dan indikator sebagai masukan dan keluarannya. Kontrol adalah instrumen mekanisme masukan yang menyampaikan data ke block diagram, mencakup knob, push button, dial dan mekanisme masukan
lainnya. Sedangkan indikator adalah instrumen mekanisme keluaran yang menampilkan data dari block diagram, mencakup grafik, led, temperature dan tampilan keluaran lainnya[7].
2.3.2. Block Diagram
Gambar 2.11 Block Diagram LabVIEW
Block diagram adalah jendela untuk menuliskan perintah dan fungsi yang berisikan program source code namun berupa simbol-simbol, node dan garis sebagai dataflow untuk mengeksekusi program yang terkait dengan front panel. Sama halnya dengan front panel, block diagram juga memiliki simbol-simbol yang merepresentasikan front panel dan terhubung secara langsung antara keduanya.
2.3.3. OPC ( OLE for Process Control )
Aplikasi dari komunikasi jaringan yang berbeda, standar jaringan yang berbeda dan ketidak sesuaian merupakan masalah yang timbul karena pembaharuan teknologi. Oleh karena itu dibutuhkan pertukaran data antara PLC dengan LabVIEW. Dalam hal ini windows environment didalam standarisasi antarmuka yang unik menghasilkan pengembangan dari aplikasi OPC[8].
OPC atau disebut dengan OLE for Process Control yang dibuat untuk menghubungkan antara sistem tertanam dan dengan objek lainnya dalam suatu proses kontrol. Teknologi OPC ini digunakan dalam aplikasi proses kontrol, pabrik, automasi pada bangunan dan banyak hal lainnya[9].
Gambar 2.12 OPC Server/Client
Fungsi OPC menurut prinsip Client/Server dimana client dan server dapat dikombinasikan tanpa menghiraukan tipe PLC dan pabrikasi selama tipe PLC sudah mendapatkan dukungan terhadap aplikasi OPC tersebut. Client mendapat akses untuk setiap jaringan komunikasi atau dilihat dari posisi pengendali. Dengan kata lain client dapat difungsikan sebagai pengendali maupun monitoring sistem kendali.
2.4 Logika Fuzzy
Pada tahun 1962 Prof. Lotfi Astor Zadeh dari Universitas California memodifikasi teori himpunan dimana setiap anggotanya memiliki derajat keanggotaan yang bernilai kontiniu antara 0 sampai 1. Himpunan ini disebut dengan Himpunan Fuzzy. Logika fuzzy adalah suatu cara yang tepat untuk memetakan suatu
ruang input ke dalam suatu ruang output yang memungkinkan nilai keanggotaan antara 0 dan 1 dalam bentuk linguistik, konsep tidak pasti seperti “sedikit”,”lumayan”,dan“sangat”[10].
Terdapat beberapa keuntungan dalam menggunakan logika fuzzy, antara lain : 1. Konsep logika fuzzy mudah dimengerti.
2. Logika fuzzy memiliki toleransi terhadap data-data yang tidak tepat. 3. Logika fuzzy mampu memodelkan fungsi-fungsi nonlinear yang sangat
kompleks.
4. Logika fuzzy dapat mengaplikasikan pengalaman-pengalaman para pakar secara langsung tanpa harus melalui proses pelatihan.
5. Logika fuzzy dapat bekerja sama dengan teknik kendali secara konvensional.
Fuzzy Inference System adalah cara memetakan ruang input menuju ruang output menggunakan logika fuzzy. Fuzzy Inference System merupakan sistem yang dapat melakukan panalaran dengan prinsip yang serupa dengan penalaran manusia dan biasa digunakan untuk membuat keputusan dan bekerja sesuai dengan keputusan yang dibuat tersebut. Terdapat 3 macam metode fuzzy inference system diantaranya adalah :
1. Metode Mamdani 2. Metode Sugeno 3. Metode Tsukamoto
Pada tugas akhir ini menggunakan fuzzy dengan metode Mamdani. Karena strukturnya yang sederhana dan memiliki output seperti penalaran manusia yang berupa himpunan fuzzy dan cukup untuk merepresentasikan penggunaan logika fuzzy dalam menentukan kendali yang dibutuhkan oleh sistem.
2.4.1. Fuzzy Inference System dengan Metode Mamdani
Metode Mamdani sering dikenal dengan nama metode Min-Max. Metode ini diperkenalkan oleh Ebrahim Mamdani pada tahun 1975. Fuzzy dengan metode Mamdani ini cukup untuk mewakili penggunaan logika yang akan diolah untuk mendapatkan hasil keluaran yang dibutuhkan dalam pengendalian suhu air pada tangki berpengaduk. Pada dasarnya fuzzy inference system terbentuk dari proses seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.13.
Gambar 2.13 Proses Fuzzy Inference System
Fuzzifikasi merupakan suatu proses untuk mengubah suatu masukan dari bentuk tegas (crisp) menjadi variabel linguistik yang biasanya disajikan dalam bentuk himpunan-himpunan fuzzy dengan suatu fungsi keanggotaannya masing-masing. Fungsi keanggotaan adalah suatu kurva yang menunjukkan pemetaan titik-titik input data ke dalam nilai keanggotaannya atau biasa disebut dengan derajat keanggotaan yang memiliki interval 0 sampai 1. Salah satu cara yang dapat digunakan untuk mendapatkan nilai keanggotaan adalah dengan melalui pendekatan fungsi. Ada beberapa bentuk representasi kurva yang bisa digunakan seperti linear, segitiga, trapesium, bahu, dan sigmoid . Namun dalam tugas akhir ini menggunakan bentuk representasi kurva segitiga dan representasi kurva bentuk bahu. Basis Pengetahuan Fuzzy Penalaran Defuzzifikasi Fuzzifikasi Input Output
Basis Pengetahuan Fuzzy merupakan kumpulan aturan-aturan fuzzy dalam bentuk pernyataan IF…THEN… Komposisi aturan inilah yang digunakan untuk menentukan hasil keluaran dengan menggunakan penalaran manusia sebagai pembentuk aturan fuzzy.
Inferensi merupakan rule atau aturan yang digunakan untuk menentukan hasil keluaran dari korelasi antar aturan. Secara umum, ada 2 fungsi implikasi yang dapat digunakan, yaitu :
a. Min (Minimum) b. Dot (Product)
Defuzzifikasi merupakan suatu proses untuk menentukan suatu nilai crisp output (tegas). Besar nilai fuzzy output ini dinyatakan sebagai degree of membership function output. Nilai crisp output adalah suatu nilai analog yang dibutuhkan untuk mengolah data pada sistem yang dirancang. Terdapat beberapa metode defuzzifikasi yang bisa dipakai pada komposisi aturan Mamdani, antara lain [11]:
a. Metode Centroid b. Metode Bisektor
c. Metode Mean of Maximum (MoM) d. Metode Largest of Maximum (LoM) e. Metode Smallest of Maximum (SoM)
