BAB II LANDASAN TEORI
2.1
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) Sistem SCADA yang konvensional sebenarnya telah digunakan oleh
industri selama ini dengan hanya mengandalkan indikator-indikator sederhana seperti lampu, meter analog, alarm suara (buzzer), seorang operator sudah dapat melakukan pengawasan terhadap mesin-mesin di pabrik. Sistem SCADA konvensional masih belum menggunakan komputer ataupun piranti pengendali lainnya. Seiring dengan perkembangan komputer yang pesat beberapa dekade terakhir, maka komputer menjadi komponen penting dalam sistem SCADA modern. Sistem ini menggunakan komputer untuk menampilkan status dari sensor dan
aktuator
dalam
suatu
plant,
menampilkan
dalam
bentuk
grafik,
menyimpannya dalam database, bahkan menampilkannya dalam situs web. Umumnya
komputer
ini
terhubung
dengan
sebuah
pengendali
seperti
Programmable Logic Controller melalui sebuah protokol komunikasi tertentu misalnya fieldbus. SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) adalah sistem yang dapat melakukan pengawasan, pengendalian, dan akuisisi data terhadap sebuah plant. Supervisory control dalam terminologi kendali sering mengacu pada kendali yang tidak langsung atau lebih menekankan pada fungsi koordinasi dan pengawasan, dengan kata lain pengendalian utama tetap dipegang oleh PLC sedang kendali pada SCADA hanya bersifat koordinatif dan sekunder. Definisi yang lebih formal diberikan oleh NIST (National Institute of Standart and
8
9
Technology) ialah sistem terdistribusi yang digunakan untuk mengendalikan asetaset yang tersebar secara geografis, sering terpisah ribuan kilometer persegi dimana kendali dan akuisisi data terpusat sangat penting bagi operasi sistem. Menurut NIST sistem SCADA banyak digunakan pada sistem terdistribusi seperti water distribution, oil pipe lines, electrical power grids, dan railway transportation sistem. SCADA software komersial yang tersedia di pasaran terbagi menjadi dua jenis. Jenis pertama ialah software yang dibuat oleh vendor PLC seperti WinCC oleh Simens, RS View oleh Allan Bradley dan Vijeo Look oleh Schneider. Biasanya software jenis ini relatif mudah diterapkan dengan PLC merk sama, namun cukup sulit untuk berhubungan dengan PLC merk lain. Jenis kedua adalah SCADA software yang dibuat oleh perusahaan non vendor PLC seperti Wonderware, Intellution dan Citect. Umumnya software jenis ini lebih fleksibel untuk dihubungkan dengan merk PLC yang berbeda-beda. Fitur-fitur yang harus ada pada suatu SCADA software untuk menjalankan segala tugasnya adalah [2]: 1.
Human Machine Interface (HMI) Berfungsi sebagai tampilan yang memudahkan operator untuk bisa memahami dan mengendalikan sistem plant.
2.
Graphic Display Berfungsi sebagai tampilan grafis untuk mempermudah pengamatan operator dan dengan adanya animasi proses akan lebih jauh membantu.
10
3.
Alarm Berfungsi untuk memberikan peringatan pada saat sistem dalam kondisi abnormal, umumnya alarm ini dimasukan kedalam database untuk dicatat sebagai history.
4.
Trends Trend adalah grafis garis yang menggambarkan kondisi atau status suatu peralatan, data sering mudah dibaca dalam bentuk trend daripada angka biasa.
5.
RTU/PLC Interface Adalah bagian program yang menghubungkan PLC dengan SCADA software.
6.
Scalability/Expandability Program SCADA harus dapat diperluas tanpa menggangu program lama yang sudah ada.
7.
Access to data Program memiliki akses pada data tertentu yang diinginkan.
8.
Database Penyimpanan data kedalam database.
9.
Networking Program ini dapat berjalan dalam suatu jaringan, baik pada LAN atau internet.
10.
Fault tolerance and redudance
11
Program memiliki toleransi tertentu terhadap kesalahan yang terjadi dan harus bersifat redundent, dimana saat MTU utama down akan digantikan oleh MTU cadangan. 11.
Client/server distributed processing Pemerosesan data bersifat distributed dimana server maupun client memiliki bagian pemerosesan tersendiri. Sistem SCADA umumnya menggunakan teknologi OPC dalam mengawasi
dan mengendalikan data. Sebelum mengenal SCADA dan OPC kita perlu mengenal OLE terlebih dahulu. OLE adalah singkatan dari Object Linking and Embedding, teknologi yang dikembangkan oleh Microsoft untuk menghubungkan (linking) beberapa program komputer agar dapat berbagi informasi, sehingga informasi dari suatu program dapat dimasukkan sebagai informasi yang diolah di program lain (embedding) tanpa menghilangkan program yang informasinya dimasukkan tersebut. OPC
(OLE
for
Processing
Control) atau Open
Platform
Communications jika mengacu pada revisi akronim OLE pada tahun 2011 adalah pemanfaatan teknologi OLE pada proses kendali, berupa standar perangkat lunak antar muka software interface yang memungkinkan program Windows untuk berkomunikasi hardware device pada industri.
Gambar 2.1 OPC Server
12
OPC beroperasi dalam pasangan server-client. OPC Server adalah software yang mengubah protokol komunikasi hardware yang digunakan oleh PLC ke dalam protokol OPC. OPC Client Software adalah program apapun yang perlu terhubung dengan hardware dari industri. OPC client menggunakan OPC server untuk mendapat data dari hardware atau memberi perintah pada hardware dengan komunikasi melalui pengendali proses. Hal yang penting pada OPC adalah open standard yang berarti biaya yang lebih rendah bagi produsen dan lebih banyak pilihan bagi pengguna. Produsen hardware hanya perlu menyediakan satu OPC server untuk perangkat mereka untuk berkomunikasi dengan OPC client apapun. Vendor software hanya perlu memasukkan kemampuan OPC client dalam produk mereka agar produk itu dapat terhubung dengan ribuan hardware device. Pengguna dapat memilih OPC client software yang mereka butuhkan dan produk itu akan berkomunikasi secara lancar dengan OPC enabled hardware mereka dan sebaliknya. OPC Server dikendalikan oleh PLC (Programmable Logic Controller). PLC adalah sistem kendali komputer industri yang terus mengawasi keadaan input device dan membuat keputusan berdasarkan program yang telah disetel untuk mengendalikan keadaan pada output device. Dalam arsitektur hardware pengendali proses seperti PLC terhubung ke server data baik secara langsung atau tidak. Server-server data yang ada terhubung satu sama lain dan terhubung ke OPC Client melalui Ethernet LAN. RTU terhubung ke physical equipment kemudian mengubah sinyal listrik yang dihasilkan equipment tersebut menjadi nilai-nilai digital seperti open atau closed pada switch atau valve atau besaran seperti tekanan, laju aliran, beda potensial
13
atau arus listrik. Sinyal inilah yang menyebabkan RTU dapat mengendalikan equipment yang ada dalam arsitektur hardware ada istilah Supervisory Station merupakan stasiun pengawas yang mengacu pada server dan software yang fungsinya berkomunikasi dengan peralatan lapangan (RTU, PLC, dan sebagainya) dan kemudian ke software HMI yang bekerja pada workstation komputer yang didesain untuk keperluan teknis atau saintifik yang terletak di ruang kendali atau di tempat lain.
Gambar 2.2 Contoh Arsitektur Hardware Sistem SCADA Didasarkan pada real time database (RTDB) yang terletak di satu server atau lebih kemudian server bertanggung jawab untuk akuisisi data dan penanganan.
Gambar 2.3 Contoh Arsitektur Software Sistem SCADA
14
2.1.1
Arsitektur Sistem SCADA Arsitektur dasar dari sebuah sistem SCADA dapat dilihat pada Gambar
2.4.
Gambar 2.4 Arsitektur Sistem SCADA Berikut ini penjelasan dari masing-masing bagiannya: A. Operator Operator atau manusia mengawasi sistem SCADA dan melakukan fungsi supervisory control untuk operasi plant jarak jauh. B. Human Machine Interfaces (HMI) HMI merupakan bagian terpenting dari sistem SCADA karena fungsinya yaitu sebagai jembatan bagi operator untuk memahami proses yang terjadi pada
15
mesin. HMI menampilkan data pada operator dan menyediakan input kendali bagi operator dalam berbagai bentuk termasuk grafik, kematik, jendela, menu pull-down, touch screen, dan lain sebagainya. HMI dapat berupa touch screen device ataupun komputer itu sendiri. Secara umum HMI berfungsi untuk memudahkan operator untuk melakukan pengawasan plant, pengendalian plant, penanganan alarm dan sebagai akses ke historical data serta historical trend. C. Master Terminal Unit (MTU) MTU
berfungsi
menampilkan
data
pada
operator
melalui
HMI,
mengumpulkan data dari tempat yang jauh dan mengirimkan sinyal kendali ke plant yang berjauhan. Kecepatan pengiriman data dari MTU ke plant jarak jauh relatif rendah dan metode kendali umumnya open loop karena kemungkinan terjadi waktu tunda dan flow interruption. Berikut ini beberapa fungsi dasar dari suatu MTU: a) Input/Output Task interface sistem SCADA dengan peralatan di plant. b) Alarm Task mengatur semua tipe alarm. c) Trends Task mengumpulkan data plant setiap waktu dan menggambarkan dalam grafik. d) Report Task memberikan laporan yang bersumber dari data plant. e) Display Task menampilkan data yang diawasi dan dikendali operator. D. Communication Sistem Sistem komunikasi antara MTU denga RTU ataupun antara RTU dengan Field device diantaranya berupa RS 232, private network (LAN/RS-485), switched telephone network, leased line, Internet, wireless communication sistem, wireless LAN, GSM network. radio modems.
16
E. Remote Terminal Unit (RTU) RTU
berfungsi
mengirimkan
sinyal
kendali
pada
peralatan
yang
dikendalikan, mengambil data dari peralatan tersebut, dan mengirimkan data tersebut ke MTU. Kecepatan pengiriman data antara RTU dan alat yang dikendali relatif tinggi dan metode kendali yang digunakan umumnya closed loop. Sebuah RTU mungkin saja digantikan oleh Programmable Logic Controller (PLC). Beberapa kelebihan PLC sebagai RTU ialah: a) Solusi ekonomis b) Serbaguna dan fleksibel c) Mudah dalam perancangan dan instalasi d) Lebih reliable e) Kendali yang canggih f) Berukuran kecil secara fisik g) Troubleshooting dan diagnosa lebih mudah F. Field Device Merupakan plant berbagai sensor dan aktuator. Nilai sensor dan aktuator inilah yang umumnya diawasi dan dikendalikan supaya objek dengan yang diinginkan pengguna. 2.1.2
Jenis –jenis sistem SCADA Menurut skala sistem keseluruhan, sistem SCADA dapat dibedakan
menjadi: A.
SCADA dasar SCADA dasar ini umumnya hanya terdiri dari sebuah RTU/PLC saja yang
digunakan untuk mengendalikan suatu plant dengan berbagai field device. Jumlah
17
MTU yang digunakan juga hanya satu buah. Contohnya car manufacturing robot, room temperature control, water level control. Gambar 2.5 menunjukan blok sederhananya.
Gambar 2.5 SCADA Dasar B.
Integrated SCADA
Gambar 2.6 Integrated SCADA Sistem ini terdiri dari beberapa PLC/RTU yang terhubung dengan beberapa Distributed Control Sistem (DCS), namun hanya menggunakan satu MTU. MTU ini dapat terhubung dengan komputer lain melalui LAN, WAN ataupun internet. Contohnya subway sistems, security sistem, water sistem. Gambar 2.6 menunjukan blok sederhananya.
18
C.
Networked SCADA
Gambar 2.7 Networked SCADA Sistem ini memiliki banyak MTU yang saling terhubung. Terdapat satu MTU pusat sebagai koordinator dari sistem-sistem yang lain. MTU pusat ini juga dapat terhubung dengan dunia luar melalui LAN, WAN, maupun internet. Blok sederhana
dapat
dilihat
pada
Gambar
2.7.
Contohnya
power
sistem,
communication sistem. 2.1.3
Nilai Lebih Sistem SCADA Sebuah sistem SCADA memberikan keleluasaan mengatur maupun
mengkonfigurasi sistem. Kita bisa menempatkan sensor dan kendali di setiap titik kritis di dalam proses. Seiring dengan teknologi SCADA yang semakin baik kita bisa menempatkan lebih banyak sensor di banyak tempat sehingga semakin banyak hal yang bisa dipantau semakin detil operasi yang bisa dilihat dan semuanya bekerja secara real time. Tidak peduli serumit apapun prosesnya kita
19
bisa melihat operasi proses dalam skala besar maupun kecil dan setidaknya bisa melakukan penelusuran jika terjadi kesalahan dan sekaligus meningkatkan efisiensi. Sistem SCADA memiliki banyak nilai lebih diantaranya: a) Pengawasan (supervisory) plant dapat dilakukan secara langsung (real time) melalui tampilan monitor. b) Kecepatan dan kemudahan memperoleh informasi berkaitan dengan kondisi/status sistem yang dipantau. c) Mengontrol proses-proses yang lebih besar dan kompleks dengan lebih mudah (tidak memerlukan banyak operator). d) Dapat mengontrol plant secara real time dari jarak jauh. e) Dapat mendeteksi dan memperbaiki kesalahan/kerusakan sistem secara cepat. 2.1.4
SCADA Wonderware In Touch Aplikasi SCADA yang digunakan dalam penyusunan tugas akhir ini
adalah Wonderware InTouch perangkat lunak untuk membangun human machine interface (HMI) applications untuk sistem operasi Microsoft Windows 2000 dan Windows XP. InTouch merupakan komponen dari Wonderware Factory Suite dan telah digunakan secara luas dalam berbagai aplikasi termasuk food processing, semiconductors, oil and gas, automotive, chemical, pharmaceutical, pulp and paper, transportation dan utilities. InTouch terdiri dari tiga komponen utama yaitu: a) InTouch Application Manager InTouch Application Manager berfungsi untuk mengorganisasi aplikasi yang dibuat. Komponen ini juga berfungsi untuk mengkonfigurasi WindowViewer
20
sebagai NT service, mengkonfigurasi Network Application Development (NAD) untuk client-based dan server-based architectures, mengkonfigurasi Dynamic Resolution Conversion (DRC) atau mendistribusi alarm. Lebih lanjut, DBDump dan DBLoad database utilities juga dijalankan dari application manager ini. b) Window Maker WindowMaker adalah development environment. Dalam hal ini objectoriented graphics digunakan untuk menciptakan animasi serta touch-sensitive display windows. Tampilan windows ini dapat dihubungkan dengan I/O sistem dari perangkat industri dan aplikasi berbasis Microsoft Windows lainnya. c) Window Viewer. WindowViewer merupakan runtime environment yang digunakan untuk menampilkan grafik windows yang telah dibuat di Window Maker Window Viewer mengoperasikan InTouch Quick Scripts, menampilkan historical data logging dan reporting, memproses alarm logging dan reporting dan dapat berfungsi sebagai client dan server untuk DDE ataupun Suite Link communication protocols. InTouch merupakan suatu paket yang dapat dikonfigurasi dengan berbagai cara, tergantung pada kebutuhan aplikasinya. InTouch adalah stand alone application, client based architecture, server based architecture dan network application development. Dalam penyusunan sistem ini arsitektur jaringan yang diterapkan adalah network application development. Network Application Development atau NAD adalah suatu arsitektur yang mengkombinasikan client based arsitektur dan server based arsitektur. NAD melakukan notifikasi secara automatis apabila aplikasi berubah dan secara otomatis mendistribusikan aplikasi yang baru ke tiap View node.
21
Di dalam NAD arsitektur mastercopy dari aplikasi tersusun di dalam central network location. Tiap View node me load network application tersebut seperti pada server based arsitektur. Tetapi bukannya menjalankan aplikasi dari server, aplikasi tersebut disalin dan kemudian dijalankan dari user defined location. Hal ini sama seperti keuntungan dari client based redundancy atau sistem backup (tidak ketergantungan terhadap server). Keuntungan dari penggunaan arsitektur ini adalah: 1. Hanya satu aplikasi yang dilakukan perawatan. 2. View nodes secara otomatis diperingatkan ketika terjadi perubahan pada aplikasi. 3. Tiap View node melakukan action apabila application update. 4. Tidak ada pembatasan dalam membangun aplikasi. Disisi lain arsitektur ini juga memiliki beberapa kelemahan antara lain: 1. Ketika mendistribusikan aplikasi yang cukup besar dan kompleks sampai melibatkan beberapa node perlambatan sistem response akan terjadi karena update sedang berlangsung. 2. Fleksibilitas yang terbatas untuk perbedaan application yang sedang berjalan pada node yang berbeda. 3. Transfer application mungkin menjadi problem pada slow network atau yang menggunakan komunikasi serial. 2.1.5
Pemograman pada SCADA Wonderware In Touch Pemograman pada Wonderware In Touch menggunakan In Touch Quick
Script. Tipe script ini relative mudah digunakan karena memanfaatkan struktur high level language (seperti pada bahasa pemograman pascal) yang telah
22
disederhanakan
sehingga
orang
awam
bukan
programmer
juga
dapat
memprogram Wonderware in Touch. Jenis script yang terdapat pada Wonderware In Touch: a) Aplication. Secript jenis ini digunakan untuk memprogram keseluruhan window yang ada pada aplikasi b) Key. Script yang dilakukan saat tombol keyboard tertentu ditekan. c) Condition. Script yang akan dikerjakan jika terjadi kondisi tertentu dari suatu tagname. d) Data chang. Script yang akan dieksekusi jika terjadi perubahan nilai pada tagname tertentu.
Gambar 2.8 Editor In Touch Quick Script. Gambar 2.8 menunjukan bahwa pemograman hanya menggunakan instruksi IF, THEN, ELSE saja. Secara umum program ini menggunakan program sebab akibat. Misalnya suatu kondisi tertentu akan menyebabkan dilakukan aksi tertentu maka logikanya menjadi:
23
IF < kondisi > THEN < aksi > ENDIF;
Jika ada kondisi lain yang dapat menyebabkan aksi yang lain maka logika menjadi: IF < kondisi > THEN < aksi > ELSE IF < kondisi 2 > THEN < aksi 2 > END IF; END IF;
Penggunaan script akan lebih jelas terlihat saat memberikan animasi pada objek di aplikasi, animasi sendiri adalah proses memberi nyawa dari objek-objek yang telah digambar dan diberi tagname. Animasi ini penting karena akan memudahkan operator dalam memahami, mengawasi dan mengendalikan prosesproses yang terjadi pada plant. Terdapat empat animasi yang terdiri dari: 1) Animasi diskrit. Pada animasi ini hanya ada dua kondisi dari objek yang dimanipulasi, seperti warna isi objek berubah dari merah ke hijau. Peralatan yang statusnya dapat ditampilkan dengan animasi diskrit seperti: tombol, status on/off motor, limit switch. 2) Animasi analog. Animasi yang dilakukan dalam suatu range nilai tertentu jangkauannya lebih luas dari animasi diskrit. Peralatan yang ditampilkan kondisinya
atau
diubah
statusnya
ialah
peralatan
Analog
seperti
potensiometer, pengatur kecepatan motor, sensor. 3) Value display. Fitur untuk menampilkan nilai atau kondisi suatu instrument misalnya: sensor suhu, status on/off motor ataupun nama operator pada aplikasi Wonderware In Touch.
24
4) User input. Dengan In Touch juga dapat membuat suatu fitur user input dimana pengguna dapat memasukan input pada program untuk melakukan suatu aplikasi tertentu pada plant. 2.1.6
Protokol Modbus Pada SCADA Modbus adalah protokol komunikasi serial yang diterbitkan oleh Modicon
pada 1979 untuk diaplikasikan pada programmable logic controller (PLC). Kemudian protokol ini telah menjadi standar de facto protokol komunikasi di industri dan sekarang Modbus merupakan protokol komunikasi dua arah yang paling umum digunakan sebagai media penghubung dengan perangkat industri atau media elektronik lainnya dengan komputer. Alasan utama penggunaan Modbus secara ekstensif sebagai protokol komunikasi adalah: a)
Modbus diterbitkan sebagai open protocol dan bebas royalti
b)
Modbus relatif mudah untuk digabungkan dengan jaringan industri
c)
Modbus melakukan transfer data raw bits atau words tanpa membatasi jenis vendor atau jenis merk pabrikan perangkat industri yang digunakan Modbus memungkinkan adanya komunikasi dua jalur antar perangkat
yang terhubung ke jaringan yang sama misalnya suatu sistem yang mengukur suhu dan kelembaban dan mengkomunikasikan hasilnya ke komputer (HMI). Modbus sering digunakan untuk menghubungkan supervisory computer dengan remote terminal unit (RTU) supervisory control dan (SCADA). Pabrikan atau suplier besar maupun kecil, sistem integrator, end user, pengembang open source, dan pihak yang berkepentingan lainnya dapat menjadi anggota Modbus. Beberapa anggota yang menonjol adalah soft DELL sistems, precision digital corporation, motor protection electronics, field server technologies dan masih banyak lagi.
25
Gambar. 2.9 Protokol Modbus SCADA. Komunikasi dengan menggunakan protokol Modbus bisa melalui perantara port serial (RS232, RS485, FO), bisa juga melalui Ethernet (LAN) dan jaringan lainnya yang mendukung protokol internet. Kebanyakan perangkat Modbus berkomunikasi melalui serial EIA 485 physical layer, umumnya pabrikan sensor dan tranducer tipe compact menggunakan ini karena jauh lebih mudah dan low cost. Ada banyak varian protokol Modbus diantaranya: A.
Modbus RTU Digunakan dalam komunikasi serial dan menggunakan representasi nilai
data biner yang dipadatkan sebagai protokol komunikasi. Format RTU mengikuti request perintah transfer data dengan cyclic redundancy check checksum sebagai mekanisme pemeriksaan kesalahan (error check) untuk memastikan kehandalan data. Modbus RTU adalah implementasi yang paling umum dari semua versi Modbus yang ada. Sebuah pesan Modbus RTU harus dikirimkan secara terus menerus tanpa jeda antar karakter. Setiap pesan Modbus dibingkai atau dipisahkan oleh periode-periode saat idle (tanpa komunikasi atau port komunikasi ditutup atau OFF). Komunikasi melalui Modbus RTU sering dipakai dalam sistem
26
monitoring skala kecil dimana sensor-sensor dan komputer HMI letaknya tidak sangat jauh. B. Modbus ASCII Protokol Modbus jenis ini digunakan pada komunikasi serial dan memanfaatkan karakter ASCII dalam berkomunikasi di dalam satu protokol. Format data ASCII menggunakan sebuah longitudinal redundancy check checksum di dalam memeriksa kesalahan transfer data. Pesan data pada Modbus ASCII dibingkai oleh tanda titik dua atau colon (':') dimuka dan diikuti oleh baris baru (CR/LF). Komunikasi antar perangkat elektronik dengan komputer melalui Protokol Modbus ASCII umumnya digunakan dalam jaringan telepon atau pun Modem GSM apabila tidak tersedia infrastruktur jaringan yang memadai seperti LAN atau jaringan Fiber Optic disana. C. Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) TCP/IP menjadi satu nama karena fungsinya selalu bergandengan satu sama lain dalam komunikasi data. TCP/IP saat ini dipergunakan dalam banyak jaringan komputer lokal (LAN) yang terhubung ke Internet karena memiliki sifat: A. Merupakan protokol standar yang terbuka, gratis dan dikembangkan terpisah dari perangkat keras komputer tertentu. Karena itu protokol ini banyak didukung oleh vendor perangkat keras, sehingga TCP/IP merupakan pemersatu perangkat keras komputer yang beragam merk begitu juga sebagai pemersatu berbagai perangkat lunak yang beragam merk sehingga walau memakai perangkat keras dan perangkat lunak komputer yang berlainan pada jaringan komputer berbeda anda dan teman anda dapat berkomunikasi data melalui Internet.
27
B. Berdiri sendiri dari perangkat keras jaringan apapun. Sifat ini memungkinkan TCP/IP bergabung dengan banyak jaringan komputer. TCP/IP bisa beroperasi melalui sebuah Ethernet, sebuah token ring, sebuah saluran dial up, sebuah X25 dan secara virtual melalui berbagai media fisik transmisi data. C. Bisa dijadikan alamat umum sehingga tiap perangkat yang memakai TCP/IP akan memiliki sebuah alamat unik dalam sebuah jaringan komputer lokal, atau dalam jaringan kumputer global seperti Internet. D. Protokol ini distandarisasi dengan skala tinggi secara konsisten, dan bisa memberikan servis kepada user-user di dunia. D. Modbus Plus (Modbus+ or MB+) Modbus Plus (Modbus + atau MB +) juga ada dan merupakan versi ekstensi dari semua versi Modbus namun hanya eksklusif untuk SCHNEIDER Electric saja. Modbus ini membutuhkan co prosesor khusus untuk menangani rotasi token secara cepat seperti HDLC. Modbus jenis ini menggunakan kabel twisted pair pada kecepatan 1 Mbit/s dan termasuk trafo isolasi di setiap node. Antarmuka khusus diperlukan sebagai penghubung Modbus Plus ke computer, biasanya menggunakan card ISA (SA85), bus PCI atau PCMCIA yang khusus dibuat untuk MB+. Setiap perangkat yang diinginkan untuk berkomunikasi via protokol Modbus harus diberi alamat yang unik atau tidak boleh sama dengan alamat perangkat lainnya. Dalam komunikasi serial dan jaringan MB+ hanya node yang ditugaskan sebagai master saja yang dapat memulai perintah berbeda halnya dengan Ethernet perangkat manapun dapat mengirimkan perintah Modbus walaupun biasanya hanya satu perangkat master yang melakukannya. Perintah
28
Modbus berisi alamat Modbus perangkat yang ingin dituju atau yang ingin diminta berkomunikasi perintah dasar pada Modbus dapat memerintahkan sebuah RTU untuk mengubah nilai salah satu kendali, register atau membaca sebuah port Input/Output serta sekaligus memerintahkan perangkat untuk mengirimkan kembali satu atau lebih nilai yang terkandung dalam register yang diakses atau dirubah tersebut. 2.2
PLC (Program Logi Control) Sejarah PLC dimulai dengan sebuah PLC yang bernama dengan PLC
MODICON. PLC MODICON (Modular Digital Controller) merupakan jenis pertama PLC yang dipergunakan pada proses produksi untuk tujuan komersial. Tahun 1960 merupakan cikal bakal adanya PLC hal itu dikarenakan perlunya pengurangan biaya proses produksi dan pemeliharan peralatan sistem kendali berbasis relai electromechanic dan pertama diterapkan di industri Amerika mulai saat itulah mendorong lahirnya PLC sampai sekarang. Programmable controller mulai digunakan secara meluas di industri. Tahun 1971 PLC telah banyak mengganti sistem kendali relai yang merupakan langkah awal menuju otomasi kendali di industri lainnya seperti industri makanan dan minuman, pabrik baja, pabrik pembuat kertas, dan lain sebagainya. Pada tahun 1973 perkembangan PLC ditandai dengan munculnya PLC modbus yaitu PLC yang mempunyai kemampuan berkomunikasi dengan PLC lainnya dan bisa diletakkan lebih jauh dari lokasi mesin yang akan dikendalikan. Selanjutnya pada tahun 1980 an mulai digagas standardisasi komunikasi dengan protokol otomasi pabrik milik General Motor. Ukuran PLC diperkecil dan pemrograman PLC dengan perangkat lunak melalui Personal Computer mulai
29
diperkenalkan. Tahun 1990an dilakukan reduksi protokol baru dan modernisasi lapisan fisik dari protokol-protokol populer yang telah digunakan sejak tahun 1980an. IEC berusaha untuk menggambungkan bahasa pemrograman PLC dibawah satu Standar Internasional. Saat ini banyak pengembangan teknologi di industri pengontrol terprogram pengembangan ini tidak hanya menyangkut rancangan pengontrol terprogram, tetapi juga pendekatan filosofis arsitektur sistem kendali. Perubahan meliputi perangkat keras dan perangkat lunak PLC. Sehingga sebuah PLC mempunyai operasi program yang lebih cepat, ukuran lebih kecil dengan harga lebih murah, jumlah masukan-keluaran yang lebih banyak, perangkat antar muka khusus yang memungkinkan piranti dihubungkan langsung ke pengendali dan sistem komunikasi dengan perangkat lain. Perkembangan baru dalam teknologi PLC meliputi juga perangkat antar muka dengan operator yang lebih baik, GUIs (graphic user interfaces) dan human oriented man/machine interfaces juga meliputi pengembangan antar muka yang memungkinkan berkomunikasi dengan peralatan, perangkat keras, dan perangkat lunak yang mendukung kecerdasan buatan seperti sistem I/O logika fuzzy. Instruksi PLC baru akan terus berkembang sesuai kebutuhan dan untuk menambah kecerdasan pada pengendali. Tipe instruksi Knowledge based and process learning mungkin akan dikenalkan untuk menambah kemampuan sistem. Berdasarkan pada standar yang dikeluarkan oleh National Electrical Manufacture Association (NEMA) ICS3-1978 Part ICS3-304 PLC adalah suatu peralatan elektronik yang bekerja secara digital memiliki memori yang dapat diprogram menyimpan perintah-perintah untuk melakukan fungsi-fungsi khusus seperti logic, sequening, timing, counting, dan aritmatika untuk mengontrol
30
berbagai jenis mesin atau proses melalui Analog atau Digital input/output modules. PLC merupakan suatu alat pengontrol sistem secara logika berbasiskan computer PC yang menjalankan intruksi-intruksi logika yang dapat melakukan kendali terhadap rangkaian-rangkaian logika dari input, proses, yang kemudian outputnya dapat melakukan suatu tujuan tertentu pada aplikasi yang bersifat fisikal yang dapat diatur oleh suatu program dengan efesien, cepat dan handal. PLC (programmable logic controller) yaitu kendali logika terprogram merupakan suatu sistem atau piranti elektronik yang di rancang untuk dapat beroperasi secara digital dengan menggunakan memori sebagai media penyimpanan instruksi internal untuk menjalankan fungsi-fungsi logika, seperti fungsi pencacah, fungsi urutan proses sekuensial, fungsi pewaktu, fungsi arimatika dan fungsi lainnya dengan cara memprogramnya untuk mengontrol berbagai macam mesin, mengendalikan sistem lampu dan memproses modul masukan atau keluaran baik digital maupun analog. Program-program yang dibuat kemudian dimasukkan dalam PLC melalui programmer atau monitor, pembuatan program dapat menggunakan komputer sehingga dapat mempercepat hasil pekerjaan. 2.2.1 Sistem PLC Dalam suatu sistem PLC secara umum terdapat 4 (empat) komponen bagian utama yaitu: 1. Central Control Unit (CCU) atau Central Prosesing Unit (CPU) 2. Memori. 3. Programmer atau Monitor. 4. Input atau output modul.
31
Gambar 2.10 Diagram sistem PLC Blok diagram rancangan sistem PLC ditunjukkan oleh Gambar 2.10. Masukan dan keluaran di kendali dan di proses melalui CPU atau CCU, sinyal masukan ke CCU yang sebelumnya sudah di program melalui programmer monitor kemudian CCU memberikan suatu sinyal informasi pada keluaran dan hasil kerja tersebut bisa di simpan dalam komputer. CCU (Central Control unit) sesuai dengan namanya unit CCU merupakan alat yang digunakan sebagai pusat pemerosesan semua perintah-perintah yang diberikan ke PLC. Piranti keras dan otaknya PLC berupa CCU (Central Control unit). CCU terdiri dari 4 bagian yaitu: a. IC microcontroller merupakan otak dari CCU yang menjadi pusat pengendalian yang difungsikan untuk operasi pengendalian dan operasi logika. b. Memori. Pada IC microcontroller terdapat memori yang merupakan daerah CCU yang di gunakan untuk melakukan proses penyimpanan dan pengiriman data pada PLC. Dimana memori ROM dan RAM sudah menjadi satu dalam IC CCU. c. Optocoupler. Menerima sinyal masukan dari modul input. d. Relay. Berfungsi sebagai on/off pada modul output. Secara umum cara kerja sistem yang dikendalikan PLC cukup sederhana yaitu PLC mendapatkan sinyal input dari input device. Akibatnya PLC
32
mengerjakan logika program yang ada di dalamnya, PLC memberikan sinyal output pada output device
Gambar 2.11 Hubungan PLC dan input/output device.
Dari penjelasan di atas didapatkan definisi sebagai berikut: 1) PLC input device benda fisik yang memicu eksekusi logika program pada PLC. Contoh: saklar, sensor. 2) PLC output device benda fisik yang diaktifkan oleh PLC sebagai hasil eksekusi progam. Contoh: motor DC, motor AC, Relay. Sistem kendali yang menggunakan PLC terbagi dalam beberapa komponen utama. Untuk memahaminya, perhatikan Gambar 2.12 yang menampilkan hubungan PLC dengan peralatan lain.
33
Gambar 2.12 Hubungan PLC dengan peralatan lain. Dari Gambar nampak bahwa PLC memiliki komponen yang terhubung dengan input device dan output device. PLC juga terhubung dengan PC untuk kebutuhan pemrograman (umumnya menggunakan RS232 serial port). Secara umum PLC terbagi dalam beberapa komponen yaitu power supply, processor, memory, input dan output module, serta programming. Jika suatu plant atau sistem otomatis masih berukuran kecil, tingkat kompleksitas rendah dan tidak memerlukan akurasi yang tinggi maka skema otomatis sistem dengan PLC saja sudah cukup. Namun jika kompleksitas plant relatif besar dan akurasi yang dibutuhkan dalam sistem relatif tinggi maka sangat diperlukan suatu sistem SCADA. Skema sistem SCADA sederhana yang diimplementasikan melalui program komputer nampak pada Gambar 2.13.
Gambar 2.13 Skema sistem SCADA sederhana dalam pengendalian sistem.
34
2.2.2 Penyusunan sistem PLC
Gambar 2.14 Susunan Sistem PLC. A.
Microcontroller Semua Microcontroller dirancang untuk mengerjakan soal-soal kendali dan
melakukan operasi logika. Ilmuan-ilmuan elektronik Atmel mengerjakan hal itu semua kedalam satu chip yang bisa digunakan untuk mengendalikan alat–alat elektronik yang bisa dinamakan IC microcontroller. Keberadaan suatu chip microprocessor atau microcontroller dipengaruhi unjuk kerjanya pada kapasitas pemrosesan bit nya dan juga oleh kecepatan atau clock frekuensi kerjanya. Jenis microprocessor atau microcontroller mempunyai beberapa besaran bit yaitu : 4, 8, 16, 32 bit, semakin besar bit semakin bagus dalam performance maupun pemrosesannya. Suatu microprocessor dengan kapasitas pemrosesan 8 bit, maka dapat diandaikan bahwa microprocessor tersebut mempunyai 8 jalur pintu masukan sebagai penerima menerima bit-bit intruksi, dengan demikian microprocessor dengan kapasitas pemrosesan 16 bit dan 32 bit tentunya
35
microprocessor ini akan mempunyai 16 dan 32 jalur pintu cepat, demikian juga microprocessor dengan 32 bit akan dapat memproses 16 bit dengan dengan 2 kali lebih cepat begitu seterusnya, tetapi dalam praktek biasanya tidak dapat tepat 2 kali atau 4 kali sebab masih ada faktor-faktor lain yang juga mempengaruhi diantaranya adalah frekuensi kerja microprocessor tersebut. Biasanya PLC besar memakai microprocessor 32 bit dengan clock speed 33 Mhz sampai 50 Mhz dan beberapa PLC yang kecil sudah bagus dengan memakai microprocessor 8 bit dengan clock speed 4 Mhz, tetapi sekarang kebanyakan PLC yang kecil sudah memakai microprocessor 16 bit dengan clock speed 10 Mhz. IC microcontroller mengatur dan mengawasi semua operasi dalam PLC dengan melaksanakan instruksi-instruksi program yang disimpan dalam memori kemudian dijalankan untuk membuat output device dalam keadaan off atau dalam keadaan on. Dalam IC microcontroller sebuah jalur komunikasi dalam atau sistem bus membawa informasi ke atau dari prosesor, memori dan unit masukan atau keluaran, di bawah pengaturan dari CCU. Microcontroller merupakan otak dari PLC dimana tugasnya menganalisa, memproses dan mengirim data. B.
Memori Ukuran CCU sangat penting sesuai dengan internal memori yang diperlukan
untuk menjalankan program. Pengendalian untuk pengoperasian kecil hanya memerlukan unit PLC yang mempunyai memori yang terbatas sedangkan untuk pengoperasian yang besar tentu saja di butuhkan PLC yang mempunyai kemampuan penyimpanan memori yang lebih besar dan juga memiliki fungsi yang lebih besar. Sistem operasi dasar seperti logic, edit, monitor, communicate
36
disimpan secara permanen dalam ROM (Read only Memory) disebut memori hanya baca karena chip ini di rancang sehingga byte-byte yang tersimpan tidak bisa diubah-ubah dengan cara apapun cuma bisa dibaca tidak bisa ditulis atau dihapus. Kegunaan utama ROM dalam sistem CCU adalah menyediakan suatu program yang disebut monitor dan operasi logic, program yang sudah di taruh dalam sebuah ROM akan tetap bertahan ketika tidak ada lagi catu daya yang diberikan. ROM memiliki sistem operasi yang tetap dan pasti, program monitor atau pembangkit karakter merupakan bagian penting dan banyak dipakai dalam perancangan PLC. Perlu dibuat pola programnya tetapi untuk pemakaian dan pembuatan program perlu di simpan dalam memori yang dapat di ubah-ubah dan dihapus yang disebut RAM (random access memory) yang digunakan sebagai memori baca atau tulis dimana untuk penyimpan sementara status dari fungsi dalam yaitu pewaktu, pencacah, relay penanda serta diagram ladder, numerics dan I/O masukannya hilang maka program juga akan hilang, oleh karena itu sebuah RAM membutuhkan baterai cadangan atau battery back up supaya programnya tidak hilang sewaktu masih dibutuhkan. Selain ROM dan RAM ada beberapa memori yang sering di gunakan pada beberapa CPU PLC, antara lain PROM, EPROM, EEPROM, dan NOVRAM. Keterangan sebagai berikut: 1)
PROM (Programmable read-only memory) pada dasarnya sama dengan ROM hanya pada PROM dapat di program oleh programmer tapi hanya untuk satu kali.
37
2) EPROM (Erasable programmable read-only memory) adalah PROM yang dapat dihapus dengan menyinari dengan sinar ultraviolet pada jendela IC untuk beberapa menit. Memori ini sering juga di sebut UVROM sewaktu disinari dengan ultra violet bit-bit dalam IC memori di reset menjadi 0. EPROM ada beberapa kekurangan pertama cuma bisa di hapus beberapa kali, kedua sewaktu EPROM dihapus dengan sinar UV semua lokasi dalam IC memori terhapus walaupun yang ingin di hapus atau diubah beberapa lokasi saja. 3) EEPROM (Electrically erasable programmable read-only memory) agak sama dengan EPROM tetapi mempunyai kelebihan jika dibandingkan dengan EPROM karena EEPROM dengan sangat cepat dan mudah dapat dikembalikan dan dihapus. Dalam EEPROM menghapus isi memorinya dengan menggunakan sinyal elektrik 4) NOVRAM (Non Volatile Random Access Memory) ini merupakan memori kombinasi antara EEPROM dan RAM ketika catu dayanya berkurang maka memori pada RAM dapat disimpan pada EEPROM sebelum hilang dan dapat dibaca pada RAM lagi setelah catu dayanya tersedia kembali normal. 2.2.3 Program atau monitor Program atau monitor adalah media-media tempat dimana program dimasukan dan suatu alat yang digunakan untuk berkomunikasi dengan PLC, dengan menggunakan program atau monitor ini dapat dibuat program yang kemudian dimasukkan ke dalam PLC dan juga dapat memonitor proses yang di lakukan oleh PLC. Programmer atau monitor mempunyai beberapa fungsi yaitu:
38
1.
Off difungsikan untuk mematikan PLC sehingga program yang di buat tidak dapat di jalankan.
2.
Run di fungsikan untuk pengendalian suatu proses pada saat program dalam kondisi di aktifkan.
3.
Monitor untuk mengetahui keadaan suatu proses yang terjadi pada PLC.
4.
Program yang menyatakan suatu keadaan dimana programmer atau monitor dapat di gunakan untuk membuat program. Sistem pemograman PLC terdiri dari beberapa format dan berdasarkan
standar IEC 61131-3, beberapa bahasa pemrograman yang digunakan pada PLC. 1)
Ladder Diagram Ladder Diagram merupakan metode pemrograman PLC yang paling populer
karena PLC pertama yang diciptakan menggunakan bahasa ladder. Hal tersebut dikarenakan PLC merupakan kelanjutan dari relay logic control, yang sebelumnya juga menggunakan relay ladder logic. Istilah ladder digunakan karena bentuk bahasa ini mirip dengan tangga (ladder).
Gambar 2.15 Contoh Ladder Diagram sederhana.
39
Dari Gambar 2.15 tampak bahwa ladder diagram memiliki bentuk sama dengan relay logic control. Ada bagian contact (input) dan coil (output). Anak tangga (rung) berisi komponen-komponen pemrograman LD. Rung tersebut diapit oleh power rail dan neutral rail, dua jalur yang dapat mengGambarkan aliran program seperti layaknya aliran arus listrik. Komponen-komponen dasar ladder diagram ialah contact/input, coil/output, timmer, counter. Penggunaan istilah contact dan coil sebagai padanan kata dari input dan output dikarenakan kedekatan ladder diagram dengan relay ladder logic (rangkaian logika untuk sistem berbasis relay). Ada bermacam-macam contact pada ladder diagram. Untuk contact jenis pertama ialah normal contact, yang terdiri dari normally open contact dan normally close contact. Istilah yang dipakai pada normal contact mengacu pada konsep NO dan NC dari relay contact. Prinsip kerja contact ini sama persis dengan relay contact. Demikian juga dengan normal coil yang mengadopsi relay coil. Gambar 2.16 berikut ini adalah ladder diagram normal contact dan normal coil.
Gambar 2.16 ladder diagram normal contact dan normal coil. Untuk mempermudah pemahaman akan digunakan kode-kode sederhana yang umum I (input) dan O (output). Setelah huruf I dan O akan diberikan angka yang
40
menunjukkan urutan dari input atau output tersebut. Dengan menggunakan keduanya, bisa disusun beberapa jenis gerbang logika yang umum. Perhatikan gerbang-gerbang logika pada Gambar 2.17 dan Gambar 2.18.
Gambar 2.17 Gerbang Logika dengan ladder diagram.
Gambar 2.18 Gerbang Logika dengan ladder diagram (lanjutan). Beberapa aturan yang harus diperhatikan dalam membuat program PLC menggunakan ladder diagram adalah sebagai berikut : 1. Output dapat menjadi input, input tidak dapat menjadi output. Output PLC dapat berubah menjadi input, di mana input tersebut baru akan aktif jika output diaktifkan. Hal ini dimungkinkan karena output tersebut merupakan bagian alamat
41
dari PLC. Jadi dimanipulasi ialah alamat output, bukan peralatan output secara fisik 2. Internal relay dapat digunakan sebagai perantara. Pada era relay, seluruh peralatan input dan output akan dihubungkan dengan relay sebagai pengendali. Pada PLC, sebagai gantinya diberikan relay virtual yang disebut internal relay. Perbedaan internal relay dengan input (I) atau output (O) ialah tidak ada keharusan menghubungkan alat fisik tertentu pada alamat ini. Sedang pada alamat input atau output, pengguna harus benar-benar menghubungkan peralatan secara fisik. 3. Input dapat muncul berkali-kali, output hanya boleh muncul 1 kali. Seperti halnya contact pada relay, contact di PLC dapat muncul berkali-kali dalam suatu ladder diagram. Ini adalah salah satu kelebihan PLC dibanding relay, karena jumlah contact maksimal yang umum beredar di pasaran ialah 4 contact saja. Sedang jumlah maksimal contact pada PLC nyaris tak terbatas (hanya dibatasi oleh ketersediaan memori PLC saja).
2) Function Chart Penulisan program menggunakan function chart memiliki persamaan dengan ladder diagram, yaitu kedua cara ini sama-sama digambarkan dalam bentuk grafik. Penggambaran atau
penulisan program dengan cara ini biasanya
dilakukan untuk sistem program scanning dan untuk menggambarkan sistem program sekuensial, cara ini juga dapat digunakan sebagai flow chart.
Gambar 2.19 Function chart.
42
3) Statement List Pada statement list baris instruksi diberi nomor secara berurutan dan beraturan untuk setiap instruksinya. Instruksi penulisan program dengan cara ini dapat menggunakan singkatan-singkatan yang diambil dari hurup depan setiap instruksi tersebut. Penulisan singkatan dalam program statement list ini berbeda-beda pada setiap jenis dan merek PLC yang digunakan. Selain singkatanyang dapat ditulis melalui statement list daapat ditulis juga alamat instruksi, instruksi sendiri, operand atau maksud dari instruksi tersebut. Dalam istilah lain penulisan cara ini disebut juga dengan istilah Mnemonic. Tabel 2.1 Statement list atau Mnemonic
Gambar 2.20 Statement List. 4) Structure Text (ST)
Gambar 2.21 Structure Text (ST).
43
5) Sequential Function Chart (SFC)
Gambar 2.22 Sequential Function Chart (SFC). 2.3.4
I/O Modul (Interfaces) I/O Modules adalah tempat seluruh sistem menerima dan mengirim
informasi interface. Terminal masukan menerima sinyal dari kabel yang di hubungkan dengan masukan sensor dan transducer sedangkan keluaran menyediakan tegangan keluaran untuk actuator atau indicator alat. Beberapa tipe modul masukan dan keluaran antara lain 4, 8, 12 atau 16 module, dan lain lain. Dalam modul masukan (input module) mempunyai 4 tugas secara elektronika yaitu: 1.
Merasakan kehadiran dari setiap sinyal input dalam terminal input sinyal input memberitahu switch dan sensor apa dan yang mana yang digunakan atau sinyal lain dalam keadaan off atau on di dalam proses pengendalian.
2.
Mengubah sinyal input yang dalam keadaan high atau on pada Optocoupler atau optoisolator kedalam bentuk ground yang dapat digunakan pada IC microcontroller jika tidak ada sinyal input yang diubahkan maka di indikasikan sebagai off.
44
3.
Modul input membuat isolator elektronik yang mengisolasi module input setelah converter dan sebelum output logic secara elektronik yang berguna untuk melindungi IC microcontroller dari lonjakan tegangan input.
4.
Sirkuit elektronika module input membuat sinyal output yang bisa dirasa dan dimengerti CCU dari PLC.
A. Modul Digital Input (DI) Modul digunakan hanya untuk sinyal tegangan DC (searah) terutama modul dengan komponen solid state SCR dan transistor jika dihubungkan dengan peralatan luar sink/source. Jika modul ini memberikan arus ketika modul ini ON maka modul ini dinamakan current source. Jika modul ini menerima arus ketika modul ini ON maka modul ini dinamakan current sink. Arus dari peralatan luar misalnya sensor masuk ke modul DC input. Bagi peralatan luar berfungsi sebagai source sedang modul DC input sebagai sink. Arus dari modul DC input ke peralatan luar misalnya katup. Bagi modul DC input berfungsi sebagai source sedang peralatan luar sebagai sink. Seringkali diperlukan memodifikasi pada sensor tipe sink yang dipakai pada modul input tipe sink. Perubahan modul sink ke source bisa dilakukan dengan menggunakan rangkaian berikut untuk arus Iout 50 mA.
Gambar 2.23 Modul Input Sink dan Modul Input Source.
45
Gambar 2.24 Rangkaian Untuk Sensor Sink dan Modul Sink. B. Modul Digital Output (DO) Banyak sekali variasi output yang tersedia, PLC compact dan mikro biasanya hanya memiliki satu jenis output sedangkan modular sistem memungkinkan adanya variasi tegangan output dari PLC yang sama. Pada modul ini tegangan yang digunakan bisa AC dan atau DC. Tegangan output yang mampu diolah adalah 12 - 48 Volt AC/DC, 120 Volt AC/DC, 230 Volt AC/DC, contact relay, 5 - 50 Volt DC. C. Modul Analog Input (AI) Sinyal Analog adalah sinyal yang secara kontinyu besarnya terus bervariasi atau tidak mempunyai nilai diskrit yang tetap. Contohnya, Analog input dari satu speed drive variabel/tachometer membaca tegangan sebesar 5 Volt ke input pada kecepatan 50 rpm (revolutions per minute). Ketika kecepatan motor dan tachometer meningkat menjadi 500 rpm, tagangan input ini juga akan meningkat menjadi 50 Volt. Sejumlah sistem menggunakan sinyal 4 hingga 20 mA untuk pengendalian yang akurat. Misalnya adalah pada tranduser berat atau kecepatan yang akan mengubah berat atau kecepatan ke dalam sinyal mA.
46
Contohnya sebuah paket berat 1 kg mengirimkan sinyal input sebesar 5 mA. Jika sebuah paket dengan 10 kg ditimbang sinyal input akan meningkat mencapai 14 miliamper. Sinyal analog diubah di dalam input ke sinyal digital lewat analog ke digital (A/D) converter. Banyak analog input modul tersedia dengan 8 saluran. Perkembangan terbaru adalah analog input gabungan dan output modul. Beberapa pabrik dapat memberikan analog modul gabungan dengan 4 input dan 2 output pada satu modul. Modul ini mengolah sinyal analog dari perangkat luar (sensor) ke sinyal Digital. Sinyal input yang bisa diolah berupa arus dan atau tegangan seperti : 4 hingga 20 mA, 0 hingga 5 Volt DC, 0 hingga 10 Volt DC, -10 hingga +10 Volt DC. PLC mempunyai kemampuan untuk membaca signal analog yang berbeda-beda
sebagai
nilai
numerik
yang
berbeda-beda.
Hal
tersebut
memungkinkan PLC memonitor keadaan-keadaan variable yang terdapat didalam lingkungan industri. Contohnya tekanan, temperatur, kecepatan, intensitas cahaya. D. Modul Analog Output (AO) Digital signal CPU berubah menjadi analog signal dari digital ke analog (D/A) converter. Prinsip analog modul berlawanan dari analog input modul. Disini analog modul mengubah nilai numerik yang berada didalam lokasi yang dialokasikan ke dalam analog signal variabel melalui sebuah konverter digital ke analog. Modul ini mengolah data bit dari CPU ke perangkat luar seperti aktuator, motor, katup, atau representasi digital ke analog. Sinyal output yang dihasilkan berupa arus dan atau tegangan seperti 4 hingga 20 mA, 0 hingga 5 Volt DC, 0 hingga 10 Volt DC, -10 hingga +10 Volt DC
47
2.2.5
PLC Mitsubishi dan GX Developer Pada perancangan alat simulator monitoring ini digunakan PLC Mitsubishi
FX series sebagai data output untuk mensimulasikan proses plant sebenarnya. Mitsubishi PLC adalah pasar produk ekspor terkemuka di dunia. Pada dasarnya setiap vendor PLC memiliki software pendukung masin-masing. Mitsubishi sendiri menggunakan Mitsubishi GX developer. Program pendukung ini bertujuan agar setiap pengguna personal komputer dapat berkomunikasi dengan PLC itu sendiri. GX Developer adalah software yang digunakan untuk memrogram PLC Mitsubishi. Software yang dipakai ini versi 7 dan rekomendasinga hanya bisa beroperasi secara maksimal di Windows XP. Pada PLC FX series memiliki simbol dasar pada pemograman diantaranya: a) X digunakan sebagai simbol input PLC, menggunakan penomoran oktal seperti X0-X17 b) Y digunakan sebagai simbol input PLC, menggunakan penomoran oktal seperti Y0-Y15 c) T digunakan sebagai simbol timer pada PLC, menggunakan penomeran desimal T0-T55 dengan basis waktu yang digunakan adalah 100 msec. Untuk T32-T55 dapat diubah dengan mengaktifkan relay internal M8208. d) C digunakan sebagai simbol counter pada PLC, menggunakan penomoran desimal C0-C15 e) M dan S digunakan sebagai internal relay yang ada di dalam PLC.
48
Semua simbol diatas dikenal dengan Bit, ini berarti bahwa peralatan yang diwakili oleh simbol-simbol tersebut akan bekerja hanya pada dua keadaan yaitu ON atau OFF, logika 1 atau logika 0.
Gambar. 2.25 PLC Mitsubishi Fx 0S series. Tabel 2.2 Spesipikasi PLC Fx 0S series
49
Gambar 2.26 Contoh pemograman dengan GX Developer. 2.3
Sensor Sensor adalah transducer yang berfungsi untuk mengolah variasi gerak,
panas, cahaya atau sinar, magnetis, dan kimia menjadi tegangan serta arus listrik. Sensor sendiri adalah komponen penting pada berbagai peralatan. Sensor juga berfungsi sebagai alat untuk mendeteksi dan juga untuk mengetahui magnitude. Transducer sendiri memiliki arti mengubah, resapan dari bahasa latin traducere. Bentuk perubahan yang dimaksud adalah kemampuan merubah suatu energi kedalam bentuk energi lain. Energi yang diolah bertujuan untuk menunjang kinerja piranti yang menggunakan sensor itu sendiri. Sensor sendiri sering digunakan dalam proses pendeteksi untuk proses pengukuran. Sensor yang sering digunakan dalam berbagai rangkaian elektronik antara lain sensor cahaya atau sinar, sensor suhu, serta sensor tekanan. Bermacam-macam transducer yang diperlukan untuk mantransformasi bermaca-macam variabel dinamik dalam sistem kendali proses ke listrik analog menghasilkan bermacam-macam
50
karakteristik
sinyal
resultan.
Pengkondisi
sinyal
digunakan
untuk
mengkonversinya ke bentuk yang susuai dengan interface dengan elemen-elemen yang lain dalam loop kendali proses. Metode paling sederhana dari pengkondisi sinyal adalah pengubahan level sinyal. Contoh yang paling umum adalah untuk penguatkan atau pelemahkan level tegangan. Secara umum aplikasi kendali proses dihasilkan dalam variasi sinyal frekuensi rendah secara lambat dimana amplifier respon dc atau frekuensi rendah bisa dipakai. Suatu faktor penting dalam pemilihan sebuah amplifier adalah impedansi input yang amplifier tawarkan kepada transducer atau elemen-elemen lain yang menjadi input. Saat ini di Industri banyak digunakan berbagai sensor dengan transmisi arus 4 – 20 mA untuk dibaca perangkat kendali seperti PLC/mikrokontroler. Loop arus 4 – 20 mA adalah standar sinyal sensor yang kuat dan populer di indsutri. Loop ini ideal untuk transmisi data karena nilai arus tersebut lebih aman terhadap noise dari sinyal listrik. Disini arus sinyal mengalir melalui semua perangkat. Semua perangkat dalam loop inimengalami penurunan tegangan karena arus yang melaluinya. Sinyal dari arus yang mengalir ini tidak terpengaruh oleh drop tegangan tersebut selama tegangan power supply lebih besar dari jumlah drop tegangan pada sekitar loop pada arus maksimum 20 mA. Dalam kenyataanya dalam transmisi sinyal lebih efektif menggunakan nilai arus dibandingkan menggunakan tegangan namun pengendali lebih mudah membaca nilai analog tegangan daripada arus oleh karena itu untuk konversi menjadi data digital data analog teganganlah yang sering dipakai untuk pengukuran oleh kendali. Gambar 2.27 Pengkondisi sinyal 4-20 mA.
51
Gambar 2.27 Pengkondisi sinyal 4-20 mA Gambar 2.27 menunjukkan arus disuplai dari power supply mengalir melalui kabel tersebut yang mempunyai resistansi dalam Rw. Arus 4-20 mA transmiter mengatur aliran arus di dalam loop. Arus yang diizinkan oleh transmitter disebut arus loop yang besarnya sebanding dengan parameter yang sedang diukur, loop arus mengalir ke kendali melalui kawat dan kemudian melalui resistor R yang terhubung ke ground dan kembali ke catu daya. Arus yang mengalir melalui R menghasilkan konversi ke nilai tegangan yang mudah diukur oleh Analog input kendali. Dengan menggunakan Resistor 250 Ohm akan didapat tegangan 1VDC disaat 4mA, dan 5VDC disaat 20mA. Power Supply untuk perangkat 4-20mA, pemancar 2 kawat harus selalu DC karena perubahan arus merupakan perwakilan dari parameter yang sedang diukur. Untuk loop 4-20mA dengan pemancar 2 kawat umumnya tegangan masukan yang digunakan adalah 36VDC, 24VDC, 15VDC, 12VDC. Dua Kawat Transmitter sebagai pemancar merupakan hal pokok dalam sistem sinyal 4-20mA. Mengkonversi besaran fisik seperti suhu, tekanan, arus, menjadi sinyal listrik. Sinyal listrik ini adalah proporsional untuk suhu, aliran atau tekanan yang diukur.
52
Dalam loop ini 4 mA merupakan nilai terendah dari rentang pengukuran dan 20mA mewakili nilai tertinggi. Jika tegangan 2 kawat pemancar ditetapkan sebesar 15 sampai 24 VDC maka tegangan terendah adalah tegangan minimum yang diperlukan untuk menjamin operasi pemancar yang tepat. Tegangan tinggi adalah tegangan maksimum transmitter dapat menahan dan beroperasi dengan spesifikasi yang dinyatakan tanpa terjadi kerusakan atau konsekuensi yang merugikan. Resistor Penerima R dalam kenyataanya jauh lebih mudah untuk mengukur tegangan daripada mengukur arus. Oleh karena itu banyak loop sirkuit saat menggunakan Resistor penerima untuk mengubah arus menjadi tegangan. Dalam diagram diatas nilai R adalah 250 Ohm. Arus yang mengalir disitu menghasilkan tegangan yang mudah diukur denan input Analog dari controller. Untuk 250 Ohm ressitor tegangan akan bernilai 1 VDC di 4 mA loop saat itu dan 5VDC di 20 mA. Resistor penerima paling umum digunakan dalam satu loop 420mA adalah 250 Ohm, namun juga tergantung dari aplikasi tertentu, resistensi dari 100 Ohm sampai 750 Ohm dapat digunakan. 2.3.1
Transmitter Pressure dan Flow
Gambar 2.28 Pressure dan Flow Transmitter. Transmitter
adalah alat yang digunakan untuk mengubah perubahan
sensing element dari sebuah sensor menjadi sinyal yang mampu diterjemahkan oleh controller. Sinyal untuk mentransmisikan ini ada dua macam yaitu pneumatic dan electric. Sistem transmisi pneumatic adalah transmisi menggunakan udara
53
bertekanan untuk mengirimkan sinyal. Besar tekanan udara yang digunakan adalah sekitar 3-15 psi. Sistem ini adalah sistem lama sebelum kemunculan era elektrik. Sistem transmisi elektronik adalah transmisi menggunakan sinyal elektrik untuk mengirimkan sinyal. Range yang digunakan untuk transmisi ini adalah 4-20mA dan 1-5 VDC. Transmitter sendiri ada yang berfungsi sebagai pengirim sinyal saja atau ada juga yang mengkonversi besaran yang diinginkan. Selain ditransmisikan ke controller (control room) transmitter juga memiliki display di lapangan yang digunakan untuk pengecekan secara manual. Biasanya besaran yang ditunjukkan di lapangan adalah berapa persen dari tekanan. Dari situ bisa dikonversikan menjadi berapa flowrate atau berapa level jika mengukur kedalaman. Ada juga transmitter yang kemunculan nilai besarannya sudah berupa besaran yang diinginkan misalkan mengukur flow dengan differential pressure. Pada transmitter
bisa langsung menunjukkan berapa besar alirannya
bukan berapa besar differential pressure. Semakin baru teknologi yang digunakan maka semakin bagus juga performa dari transmitter
tersebut. Untuk
mentransmisikan sinyal dari transmitter ke control room, transmitter melakukan pengkondisian sinyal terlebih dahulu agar sesuai dengan spesifikasi (tegangan, arus). A. Transmitter Pneumatic Pada transmisi pneumatic, sensing element berperan sebagai sensor untuk mendeteksi suatu besaran dengan metode tertentu. Dengan sistem udara bertekanan, sensing element tersebut meng adjust flapper dan nozzle akan menyesuaikan posisi flapper. Dari tekanan nozzle ini bisa ditentukan posisi transmitter sedang on (1) atau off (0). Ada juga yang berfungsi seperti variable
54
yaitu bisa adjust seberapa persen besar kecilnya nilai tekanan. Dari tekanan tersebut sudah bisa terlihat keluarannya memiliki tekanan. Tekanan itulah yang akan dikirim melalui tubing transmission ke control room. Jika control room masih pneumatic maka digunakan instrument-instrument pneumatic yang ukurannya besar dan masih kuno. Jika sistem kendalinya sudah elektrik maka digunakan converter P/I pressure to Electric untuk dikirimkan ke DCS. Selanjutnya dari control sistem, sinyal akan dikirim ke lapangan untuk mengontrol sesuatu misalnya valve. Jika menggunakan sistem kendali elektrik dan transmisi pneumatic, maka harus ada converter I/P (Electric to Pressure). Jika sistem control menggunakan pneumatic, tinggal diputar-putar saja controllernya maka sinyal langsung ditransmisi ke lapangan dan menggerakkan valve. B. Transmitter Electric Pada transmisi elektrik, cara kerjanya lebih simple. Jalur transmisi sudah menggunakan kabel. Dari transmitter dikirim ke control room dengan kabel. Control sistem yang digunakan pada sistem elektrik biasanya DCS. Sebelum masuk DCS jalur transmisi tersebut masuk ke panel box sebagai interkoneksi antara lapangan dengan control room. Dengan DCS semua bisa dikendali melalui layar monitor. Sistemnya sudah terintegrasi dan memiliki respon yang cepat. 2.3.2
Transmitter Temperature
Gambar 2.29 Sensor Temperatur RTD.
55
Gambar 2.30 Temperature transmitter sensor. Resistance Thermal Detector (RTD) atau dikenal dengan Detektor Temperatur Tahanan adalah sebuah alat yang digunakan untuk menentukan nilai atau besaran suatu temperatur suhu dengan menggunakan elemen sensitif dari kawat platina, tembaga, atau nikel murni, yang memberikan nilai tahanan yang terbatas untuk masing-masing temperatur di dalam kisaran suhunya. Semakin panas benda tersebut semakin besar atau semakin tinggi nilai tahanan listriknya begitu juga sebaliknya. PT100 merupakan tipe RTD yang paling populer yang digunakan di industri.
Gambar 2.31 Konstruksi RTD. Resistance Thermal Detector merupakan sensor pasif, karena sensor ini membutuhkan energi dari luar. Elemen yang umum digunakan pada tahanan resistansi adalah kawat nikel, tembaga, dan platina murni yang dipasang dalam sebuah tabung guna untuk memproteksi terhadap kerusakan mekanis. Resistance
56
Temperature Detector (PT100) digunakan pada kisaran suhu -200 0C sampai dengan 650 0C.
Gambar 2.32 Perbandingan resistansi dengan temperatur untuk RTD metal. Kelebihan dan Kekurangan dari RTD (PT100) dalam penggunaannya, RTD (PT100) juga memiliki kelebihan dan kekurangan. A. Kelebihan dari RTD (PT100) diantaranya: a)
Ketelitiannya lebih tinggi dari pada termokopel.
b)
Tahan terhadap temperatur yang tinggi.
c)
Stabil pada temperatur yang tinggi, karena jenis logam platina lebih stabil dari pada jenis logam yang lainnya.
d)
Kemampuannya tidak akan terganggu pada kisaran suhu yang luas.
B. Kekurangan dari RTD (PT100) diantaranya: a)
Lebih mahal dari pada termokopel.
b)
Terpengaruh terhadap goncangan dan getaran.
c)
Respon waktu awal yang sedikit lama (0,5 s/d 5 detik, tergantung kondisi penggunaannya).
57
d)
Jangkauan suhunya lebih rendah dari pada termokopel. RTD (PT100) mencapai suhu 650 oC, sedangkan termokopel mencapai suhu 1700 oC.
C. Keunggulan RTD dibanding termokopel diantaranya adalah: Tidak diperlukan suhu referensi karena sensitivitasnya cukup tinggi, yaitu dapat dilakukan dengan cara memperpanjang kawat yang digunakan dan memperbesar tegangan eksitasi. Tegangan output yang dihasilkan 500 kali lebih besar dari termokopel dapat digunakan kawat penghantar yang lebih panjang karena noise tidak jadi masalah. Tegangan keluaran yang tinggi, maka bagian elektronik pengolah sinyal menjadi sederhana dan murah. Tabel 2.3 Tipe dari Platinum Resistance Temperature Detector
Resistance Thermal Detector (RTD) perubahan tahanannya lebih linear terhadap temperatur uji tetapi koefisien lebih rendah dari thermistor dan model matematis linier adalah:
dimana :
58
Ro = tahanan konduktor pada temperature awal ( biasanya 0 oC) RT = tahanan kondu ktorpa datemperatur t oC α = koefisien temperatur tahanan Δt = selisih antara temperatur kerja dengan temperatur awal Sedangkan model matematis nonliner kuadratik untuk RTD adalah:
2.3.3
Voltage Transformer
Gambar 2.33 Voltage transformer
Gambar. 2.34 Power Transducer Adalah trafo yang digunakan untuk mengambil input data masukan berupa besaran tegangan dengan cara perbandingan belitan pada belitan primer atau sekunder. Trafo ini biasa digunakan untuk pengukuran tak langsung, beban yang mengalir ke pelanggan kemudian membatasinya. Selain itu bisa juga besaran tegangannya diambil sebagai input data masukan peralatan pengaman jaringan.
59
Trafo disebut trafo tegangan apabila mempunyai sifat dasar sebagai berikut. 1. Kapasitasnya kecil (10 – 150 VA) karena digunakan hanya pada alat-alat ukur, relai dan peralatan indikasi yang konsumsi dayanya kecil. 2. Memiliki tingkat ketelitian yang tinggi. 3. Salah satu ujung terminal tegangan tingginya selalu ditanahkan. Berikut contoh rangkaian trafo tegangan pada tegangan sistem 13,8 kV :
Gambar 2.35 Rangkaian Trafo Tegangan Trafo tegangan memiliki prinsip kerja yang sama dengan trafo tenaga, tapi yang jelas jumlah belitan sisi primer lebih banyak dari sisi sekunder. Pada dasarnya Trafo tegangan dibagi menjadi dua kategori : 1. Trafo Tegangan Induktif (Murni Full Winding) Trafo tegangan induktif adalah trafo tegangan yang terdiri dari belitan primer dan belitan sekunder dengan prinsip kerja tegangan masukan (input) pada belitan primer akan menginduksikan tegangan ke belitan sekunder melalui inti. 2. Trafo Tegangan Kapasitif (Menggunakan Coupling Capasitor sebagai devider tegangan)
60
Trafo tegangan kapasitif terdiri dari rangkaian kapasitor yang berfungsi sebagai pembagi tegangan dari tegangan tinggi ke tegangan menengah pada primer, selanjutnya diinduksikan ke belitan sekunder. Fungsi dari trafo tegangan antara lain : a)
Mentransformasikan besaran tegangan sistem dari yang tinggi kebesaran tegangan listrik yang lebih rendah sehingga dapat digunakan untuk peralatan proteksi dan pengukuran yang lebih aman, akurat dan teliti.
b)
Mengisolasi bagian primer yang tegangannya sangat tinggi dengan bagian sekunder yang tegangannya rendah untuk digunakan sebagai sistm proteksi dan pengukuran peralatan dibagian primer. Sebagai standarisasi besaran tegangan sekunder untuk arus 1 A, 2 A dan 5 A, tegangan 100, (100, 100/√3, 110/√3 dan 110 volt) untuk keperluan peralatan sisi sekunder.
c)
Memiliki 2 kelas, yaitu kelas proteksi (3P, 6P) dan kelas pengukuran (0,1; 0,2; 0,5;1;3).
2.3.4
Current Transformer
Gambar 2.36 Current Transformer
Gambar. 2.37 Current Transducer
61
Adalah trafo yang digunakan untuk mengambil input data masukan berupa besaran arus dengan cara perbandingan belitan pada belitan primer atau sekunder. Trafo ini biasa digunakan untuk pengukuran tak langsung beban arus yang mengalir ke pelanggan kemudian membatasinya. Selain itu bisa juga besaran arusnya diambil sebagai input data masukan peralatan pengaman jaringan. Trafo Arus (Current Transformator)
merupakan peralatan yang digunakan untuk
melakukan pengukuran besaran arus pada intalasi tenaga listrik disisi primer (TET, TT dan TM) yang berskala besar dengan melakukan transformasi dari besaran arus yang besar menjadi besaran arus yang kecil secara akurat dan teliti untuk keperluan pengukuran dan proteksi. A. Fungsi Trafo Arus Fungsi dari trafo arus adalah: a) Mengkonversi besaran arus pada sistem tenaga listrik dari besaran primer menjadi besaran sekunder untuk keperluan pengukuran sistem metering dan proteksi b) Mengisolasi rangkaian sekunder terhadap rangkaian primer, sebagai pengamanan terhadap manusia atau operator yang melakukan pengukuran. c) Standarisasi besaran sekunder, untuk arus nominal 1 Amp dan 5 Amp Secara fungsi trafo arus dibedakan menjadi dua yaitu: 1. Trafo arus pengukuran Trafo arus pengukuran untuk metering memiliki ketelitian tinggi pada daerah kerja (daerah pengenalnya) 5% - 120% arus nominalnya tergantung dari kelasnya dan tingkat kejenuhan yang relatif rendah dibandingkan trafo arus untuk
62
proteksi. Penggunaan trafo arus pengukuran untuk Amperemeter, Watt-meter, VARh-meter, dan cos meter. 2. Trafo arus proteksi Trafo arus untuk proteksi, memiliki ketelitian tinggi pada saat terjadi gangguan dimana arus yang mengalir beberapa kali dari arus pengenalnya dan tingkat kejenuhan cukup tinggi. Penggunaan trafo arus proteksi untuk relai arus lebih (OCR dan GFR), relai beban lebih, relai diferensial, relai daya dan relai jarak. Perbedaan mendasar trafo arus pengukuran dan proteksi adalah pada titik saturasinya seperti pada kurva saturasi dibawah ini.
Gambar 2.38 Kurva kejenuhan CT untuk Pengukuran dan Proteksi Trafo arus untuk pengukuran dirancang supaya lebih cepat jenuh dibandingkan trafo arus proteksi sehingga konstruksinya mempunyai luas penampang inti yang lebih kecil .
Gambar 2.39 Perbedaan trafo Arus pengukuran dan proteksi
