Tugas Makalah Sistem Komunikasi Digital Muhammad Aziz (14520005) Dosen : DR Ir Iwan Krisnadi MBA
SCADA Menggunakan Sistem Komunikasi Serat Optik Untuk Monitoring dan Pengendalian Level Tangki
Abstrak
Penerapan sistem komunikasi digital untuk monitoring dan pengendalian jarak jauh akan terus berkembang dan semakin banyak diterapkan, karena sistem ini sangat memudahkan operator dalam memantau dan mengontrol plant pada kondisi jarak yang jauh atau pada keadaan cuaca atau lingkungan yang kurang aman. Fiber optik adalah salah satu media transmisi yang dapat menyalurkan informasi dengan kapasitas besar dengan kehandalan keamanan yang tinggi.
Makalah ini akan membahas tentang pemantaun dan pengontrolan level tangki jarak jauh dengan sistem SCADA. Hasil utama dari sistem yang diusulkan ini meliputi pengukuran optical power yang diterima pada detektor, menghitung signal to noise ratio pada penerima optik, dan mencari nilai BER. Pekerjaan ini meliputi penggunaan serat optik dengan sepuluh sambungan, yang masing-masing memiliki panjang 2 km.
Kata kunci - SCADA, Ethernet, PLC, Fiber Optik, Laser Diode.
1. Pendahuluan
1.1. Latar Belakang
Manfaat otomasi terlihat di semua bidang industri maupun di kehidupan sehari-hari. Otomatisasi menjadikan kontrol proses menjadi lebih efisien, meningkatkan produktivitas kerja dan kualitas produksi, serta mengurangi biaya produksi. Otomatisasi terus dikembangkan sehingga hal ini bisa berhasil dalam mengisi semua persyaratan dari kemajuan teknis hari ini. Peran komunikasi kontrol adalah untuk bertukar koneksi antara komputer dan PLC untuk mengkonfigurasi program PLC dan mengirimkan data ke tingkat level yang lebih tinggi untuk kebutuhan operator dalam memonitoring dan mengontrol suatu plant.
Penggunaan serat optik di sistem SCADA (Supervisory Control dan Data Acquisition) meningkat karena keunggulan penggunaan serat optik. Kecepatan data yang tinggi dapat dipertahankan tanpa ada gangguan elektromagnetik atau radio frekuensi (EMI / RFI). Jarak komunikasi yang
lebih jauh dapat dicapai daripada menggunakan kabel tembaga. Ethernet akan berfungsi dengan baik atas serat optik jika mengikuti aturan sederhana dalam instalasi serat optik. Paper ini menyiratkan pelaksanaan sistem SCADA yang memanfaatkan jaringan serat optik untuk komunikasi antara pusat SCADA dan plant industri
1.2. Tujuan
Tujuan dari penulisan makalah ini adalah: 1. Untuk mempelajari aplikasi fiber optik
dalam penerapan di sistem SCADA 2. Untuk mempelajari perancangan sistem
monitoring dan pengendalian level tangki jarak jauh dengan sistem SCADA
3. Penggunaan fiber optik sebagai infrastruktur untuk sistem SCADA 4. Menghitung nilai Bit of Error (BER) dan
signal to noise ratio (SNR) pada jalur serat optik.
Untuk memperjelas ruang lingkup dan analisa, maka permasalahan lebih ditekankan pada fungsi Fiber Optik untuk monitoring dan pengendalian level tangki pada sistem SCADA.
2. Sistem SCADA dan Media Komunikasi
Pengontrolan digital jarak jauh menggunakan Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA) untuk memantau perangkat alat ukur dan mengendalikan suatu sistem. Remote Terminla Unit (RTU) dan Programmable Logic Control (PLC) merupakan bagian dari sistem SCADA yang digunakan untuk memantau perangkat alat ukur dan sebagai pengendali dalam suatu sistem.
Sistem SCADA digunakan untuk memantau dan mengontrol plant atau pabrik seperti sistem pengolahan air, pengendalian limbah, energi, penyulingan minyak, penyaluran gas, sistem transportasi atau fasilitas lainnya. Sistem ini akan melakukan transfer data antara host komputer SCADA dengan sejumlah Remote Terminal Unit (RTU) dan/atau Programmable Logic Controller (PLC).
Sistem infrastruktur monitoring SCADA dapat menggunakan Local Area Network (LAN)/Wide Area Network (WAN). Dan belakang ini sistem SCADA dengan nirkabel (wireless) semakin banyak digunakan sebagai infrastruktur untuk jarak yang lebih jauh.
Sistem SCADA terdiri dari satu atau lebih perangkat interface data yang dipasang dilapangan, misalnya RTUs, PLC, yang terkoneksi ke perangkat sensor dan control valves [1], [4], [5].
Sistem komunikasi yang digunakan untuk mentransfer data antara perangkat field data interface dan perangkat kontrol dengan komputer di SCADA central host. Sistem ini bisa menggunakan komunikasi radio, telepon, kabel, satelit, dll, atau kombinasi dari ini semua.
Central host computer center disebut juga sebagai SCADA Pusat, stasiun master, atau Master Terminal Unit (MTU)
Perangkat lunak/software untuk sistem SCADA disebut sebagai Human Machine Interface (HMI) atau Man Machine Interface (MMI), software yang digunakan untuk membangun sistem SCADA central host dan aplikasi terminal operator yang mendukung sistem komunikasi, memantau dan mengontrol jarak jauh[1], [9].
Serat optik adalah salah satu pilihan yang dapat digunakan untuk mentransfer data antara perangkat field data interface dan unit kontrol dan komputer di SCADA central host. Karena teknologi serat optik memberikan kekebalan terhadap interferensi elektromagnetik dan interferensi frekuensi radio, tidak menimbulkan bahaya percikan api/listrik, tahan terhadap grounding fault dan transien, peningkatan kapasitas sinyal, transmisi aman dan koefisien atenuasi sangat rendah dibandingkan dengan media lainnya yang jarak transmisi yang lebih besar [1] .
Oleh karena itu serat optik dapat memberikan cost yang efektif untuk mengirimkan informasi lebih lanjut untuk jarak yang lebih jauh dengan keselamatan terjamin. Jaringan optik dapat beroperasi pada tingkat low error yang dapat diterima hanya jika daya optik pada penerima melebihi some minimum level PR yang disebut sebagai receiver sensitivity. Batas loss maximum untuk transmisi jarak Lmax diberikan dengan persamaan berikut [6], [7]
Lmax PT PR Lc splice loss
margin (1)
Nilai SNR untuk PIN photodiode receiver dapat dihitung dengan persamaan berikut (7)
didefinisikan sebagai probabilitas dari kesalahan identifikasi pada bit by the decision circuit of receiver [6]. Pada umumnya receiver optik membutuhkan BER ≤ 1 * 10-9 [8].
BER dengan pengaturan optimal dari decision thershold diperoleh seperti pada persamaan berikut [7]:
Sensitivitas receiver kemudian didefinisikan sebagai nilai minimum rata-rata power Prec yang terima yang diperlukan receiver untuk beroperasi pada BER 10 - 9.
3. Deskripsi Sistem
Kemampuan untuk memantau level tangki air dari lokasi yang jauh akan sangat berguna dalam situasi tertentu. Hal ini terutama berlaku jika terdapat beberapa tangki, atau jika tangki sulit untuk diakses karena lokasi yang jauh, atau jika ingin memasang kontrol pompa otomatis.
Diagram blok dari sistem yang diterapkan ditunjukkan dalam Gambar (1). PLC yang digunakan dalam pekerjaan ini adalah CM3-SP32MDTE yang memiliki fitur maksimal tiga port komunikasi data yang bisa bekerja secara bersamaan [Ethernet. RS232 andRS485], Cimon HMI, Modbus RTU-TCP, PLC Link. Link Ethernet terlalu pendek. Jarak maksimum untuk ethernet adalah tidak bisa lebih dari 100 meter. Hal ini tidak cukup dalam berbagai aplikasi. Kontrol pompa dapat dikendalikan oleh PLC sesuai dengan status pompa dan kebutuhan proses.
Perangkat human detect system mendeteksi keberadaan orang di sekitar pompa. Perangkat ini menggunakan dua detektor gerak (AMN11112) di pintu masuk lokasi dan mencatat/record jika ada yang masuk. Sensor ini dipisahkan satu meter antara satu sama lainnya, dan terisolasi sangat baik untuk mendeteksi orang yang lewat. Sensor ini mendeteksi inframerah (sensor panas) emisi tubuh dan mendeteksi perubahan
dalam spektrum inframerah dengan menggunakan quad-type pyroelectric element. Sistem kemudian mengukur indikasi heat tubuh manuasi yang lewat sesuai dengan sequence of passages antara kedua detector. The system then increases or decreases its counter according to the sequence of passages between. Karena Pompa diperlukan untuk dioperasikan, PLC memperhitungkan keberadaan manusia di sekitar area pompa. Sistem akan memberikan alarm audio dan visual, agar ketika mengoperasikan pompa dalam keadaan aman. Sistem monitoring level tangki digunakan untuk memonitoring dan mengukur level fluida dalam tangki. Agar dapat malakukan pengontrolan level pada tangki, set point pompa akan disesuaikan dengan pembacaan level tangki.
3.1. Link Komunikasi
Gambar (3 & 4) menunjukkan tata letak link komunikasi dan diagram blok untuk sistem full duplex dalam dua arah. Sinyal listrik yang masuk dari Ethernet diubah menjadi sinyal optik dengan menggunakan dioda laser pada sisi pemancar. Kemudian dikirim melalui serat optik. Pada sisi penerima, replika dari sinyal listrik akan dikonversikan kembali ke dalam bentuk sinyal listrik.
Dioda laser digunakan sebagai optical carrier generator dalam pemancaran dengan emitted optical power adalah -10 dB dengan panjang gelombang 1300 nm yang dipancarkan ke serat pada tegangan tinggi. Sistem komunikasi menggunakan modulasi intensitas laser dioda di mana output daya yang dipancarkan dari dioda bervariasi sesuai dengan nilai input sinyal listrik yang diterapkan, yang berasal dari output Ethernet PLC.
Sepuluh gulungan kabel serat optik dengan type single mode memiliki jarak komunikasi 2 km per gulungnya akan digunakan dalam sistem jaringan komunikasi. Jadi, total panjang serta optik adalah 20 km. Sepuluh gulungan fiber optik ini akan dihubungkan satu sama lain dengan splices. Setiap sambungan memiliki kerugian 0.035dB.
4. Hasil
Hasil utama dari sistem yang diusulkan adalah meliputi pengukuran optical power yang diterima pada detektor, dan menghitung signal to noise ratio pada penerima optik kemudian mencari nilai BER sesuai dengan persamaan yang disebutkan di atas. Pekerjaan ini meliputi penggunaan serat optik sepuluh sambungan, yang masing-masing memiliki panjang 2 km. Jadi, total panjang menjadi 20 km.
Grapik yang ditunjukkan pada Gambar (5) menunjukkan hubungan antara SNR ke BER sistem. BER dihitung menggunakan persamaan 3. Gambar (6) menunjukkan perubahan SNR terhadap jarak transmisi yang dihitung menurut persamaan 2. Perhitungan power budget menunjukkan bahwa panjang maksimum serat optik dapat mencapai 30.71.km.
5. Kesimpulan
Sistem yang disarankan ini menawarkan peningkatan jarak komunikasi karena menggunakan serat optik sebagai media transmisi dan memberikan alternatif yang baik untuk sistem nirkabel dalam hal biaya dan kompleksitas. Jaringan serat optik juga dikenal dengan kehandalan sistem yang lebih baik, sistem dapat beroperasi dengan baik, dengan nilai BER yang bisa diterima seperti yang ditunjukkan dalam grafik.
6. Daftar Pustaka
[1] Dr. Salih Mohammed Salih, " Practical Implementation of SCADA System for Falluja Substation", Anbar Journal of Engineering Sciences, AJES-2009, Vol. 2, No. 2.
[2] Zhang De-fu, Haung Ming-Jian, Xu Cui-cui and Tang Zhe “The principles PLC and applications in n-juan, “constrsction material industry”, Proceedings of the 2009 International Workshop on Information Security and Application (IWISA 2009), Qingdao,
China, November 21-22, 2009.
[3] EnginOzdemir and
MevlutKaracor, “Mobile phone based SCADA for industrial automation”, ISA Transactions, Volume 45, Number 1, January 2006, pages 67–75.
[4] Aretz, K., Haardt, M., Konhauser, W., and Mohr W., The future wireless
communications beyond the third generation. Comput.Netw. 37, 83–92 ,2001.
[5] Warcuse, J., Menz, B., and Payne, J. R., Servers in SCADA applications. IEEE Trans. Ind. Appl. 9 (2), 1295–1334,1997.
[6] Govind P Agrawal, 2002, "Fiber Optic Communication Systems", third edition, Willy interscience.
[7] Max Ming-Kang Lu, 1996, "Principles and Applications of Optical Communication",IRWIN.
[8] Donald H. Rice, Gerd E. Keiser, "Applications of fiber optics to tactical communication systems", IEEE
Communication Magazine, May, V-23, N-5. 198N-5.
[9] Communication Technologies, Inc. “Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) Systems”, October 2004.
Lampiran
Gambar1. Block diagram dari sistem yang diusulkan
Gambar 3. Proposed system layout based on Fiber Optic communications link
Gambar 5. BER versus SNR
