BAB V IMPLEMENTASI PERANCANGAN SISTEM
5.1
Kriteria Perancangan Sistem Sebelum merealisasikan perancangan sistem kontrol kedalam sistem berbasis
komputer. Diperlukan penelaahan mengenai kriteria sistem yang akan dibuat. Secara keseluruhan, diharapkan sistem yang telah dibuat akan berjalan sesuai dengan kondisi yang diharapkan. Penelusuran mengenai kriteria sistem berkaitan dengan inti dari perancangan sistem itu sendiri yaitu rancangan sistem kontrol. Kemudian kriteria mengenai sistem pendukungnya, dalam hal ini adalah sistem intrumentasi yang merupakan fondasi dari rancangan sistem berbasis komputer.
5.1.1
Kriteria rancangan sistem kontrol Diinginkan untuk melakukan perancangan sistem kontrol loop tertutup terhadap
suatu plant secara otomatis dan berbasis komputer. Parameter fisis yang akan diukur adalah temperatur dan kelembapan udara dalam plant. Sistem yang akan dikontrol harus dapat teramati dan terkontrol dengan baik. Dilain pihak keberlangsungan berjalannya proses pengontrolan harus dapat diakses oleh pengguna melalui komputer. Lebih jauh lagi realisasi sistem fuzzy logic dalam rancangan sistem kontrol harus bisa mencapai performansi yang diinginkan. Pada kenyataannya, secara alami sistem akan selalu mendapatkan gangguan dari lingkungan luar. Meskipun faktor gangguan tidak mungkin dihindari, namun sistem kontrol yang akan dirancang harus bisa mengatasinya.
47
Ilustrasi rancangan sistem kontrol loop tertutup yang dibuat mengikuti rancangan diagram blok berikut :
(Gambar 5.1 : Skematik sistem kontrol loop tertutup) Kondisi temperatur yang diinginkan terjadi pada chamber (ruangan tertutup), harus selalu lebih besar daripada temperatur lingkungannya. Proses ini terjadi jika pada chamber dialirkan udara panas yang bersumber dari pemanas. Aliran udara panas yang masuk atau keluar chamber dipandang sebagai gangguan utama. Dilain pihak keadaan non-adiabatis pada chamber pun dipandang sebagai gangguan. Aksi kontrol yang dihasilkan dari proses komputasi berbasis fuzzy logic harus mampu mengendalikan ganguan melalui aktuator yang ada. Kestabilan sistem kontrol ditentukan berdasarkan kondisi nilai error yang relatif tak banyak berubah selama proses berjalan. Toleransi nilai error yang diharapkan adalah +/- 0.1 0C serta penolakan terhadap overshoot. Salah satu skenario pengujian sistem kontrol yang dilakukan, adalah pemberian gangguan dengan cara memberikan aliran udara berkelembapan tinggi pada chamber. Hal tersebut dilakukan untuk mengetahui pengaruh kelembapan udara terhadap perubahan temperatur rata-rata dalam chamber. Disamping itu, dapat ditunjukan pula mengenai ketahanan sistem kontrol terhadap gangguan.
48
5.1.2
Kriteria rancangan sistem instrumentasi Sistem instrumentasi digunakan untuk merealisasikan perancangan sistem
kontrol kedalam dunia nyata. Sistem instrumentasi diarahkan untuk menciptakan sistem otomatis berbasis komputer. Beberapa instrumen mekanik yang dibutuhkan seperti fan (kipas) dan valve bekerja ketika diberikan tegangan kepadanya. Secara umum sistem instrumentasi yang dibuat diimplementasikan melalui sistem elektronik. Kebutuhan perancangan sistem instrumentasi harus mengikuti alur proses sistem yang direncanakan. Olehkarena itu, penjelasan umum yang menggambarkan mekanisme proses sistem kontrol harus dirancang terlebih dahulu. Rancangan proses sistem konrol yang diinginkan adalah menciptakan mekanisme pengontrolan temperatur melalui pengaturan laju aliran udara. Dengan demikian penjelasan diatas dapat dilustrasikan melalui rancangan P&ID berikut :
(Gambar 5.2 : Skematik rancangan proses sistem kontrol) Rancangan P&ID ( Piping and Instrumentation Diagram ), merupakan teknik perancangan sistem kontrol dan instrumnetasi yang sering digunakan dalam dunia teknik rekayasa proses. Teknik tersebut cukup representatif untuk menggambarkan keseluruhan proses pengontrolan temperature chamber melalui pengaturan laju aliran udara.
49
Disamping itu ilustrasi mengenai instrumen-instrumen yang dibutuhkan dalam rancangan sistem kontrol pun dimunculkan, seperti yang diperlihatkan pada gambar 5.2. Merujuk pada gambar 5.2, diperlihatkan mengenai aliran udara dari luar sistem sampai kembali lagi ke lingkungan. Panah berwarna biru menandakan arah aliran massa udara yang berasal dari lingkungan luar sistem. Panah berwarna merah menandakan arah aliran massa udara yang bertemperatur lebih tinggi dari temperatur lingkungan luar sistem. Instrumen elektronik yang digunakan pada perancangan sistem kontrol adalah : TT (Temperature Transmitter) dan TC (Temperature Control ). TT berfungsi untuk mengubah besaran suhu menjadi sinyal listrik. TC (Temperature Control ) berfungsi untuk mengolah sinyal elektrik yang dihasilkan TT menjadi sinyal kontrol. Sinyal kontrol yang dihasilkan TC digunakan untuk mengatur daya pemanas, bukaan valve, dan penjadwalan nyalanya kipas. Instrumen pengontrol temperatur (TC) sistem diimplementasikan melalui sebuah PC (Personal Computer). Proses pengambilan data temperatur diimplementasikan melalui DAQ ( Data Acquisition Board ) atau TT( Temperatur Transmitter). Aksi kontrol diolah oleh PC kemudian diumpankan pada aktuator-aktuator, yang terdiri dari : valve, fan, dan elemen pemanas. Pada prakteknya perlu dirancang suatu modul antarmuka yang menjembatani antara PC dengan aktuator, tujuannya adalah untuk menjalankan aktuator yang dimaksud.
50
(Gambar 5.3 : Arsitektur sistem kontrol berbasis komputer)
Data-data temperatur plant diambil dan dikumpulkan oleh modul DAQ kemudian dikirimkan secara digital pada PC melalui komunikasi serial. Hasil pengolahan data yang berupa aksi kontrol, diumpankan ke aktuator melalui modul aktuator. Jalur pengiriman data yang dipakai untuk mentransmissikan data-data hasil pengolahan, adalah jalur paralel. Sistem bekerja secara real-time dan periodik, sehingga kondisi temperatur dalam plant dapat terus dimonitor selama selang waktu yang ditentukan. Dilain pihak sistem pun diinginkan supaya dapat diakses dengan mudah oleh pengguna untuk mengerjakan berbagai keperluan, seperti : monitoring, pengontrolan, dan peyimpanan data. Dibutuhkan sebuah aplikasi dalam bentuk perangkat lunak (software) yang dijalankan pada PC untuk menangani keperluan monitoring, pengontrolan dan penyimpanan data. Lebih lanjut istilah yang diberikan untuk software tersebut adalah software HMI (Human Machine Interface), namun pembahasan mengenai perancangan software ini akan dibahas pada bab selanjutnya.
51
5.2
Rancangan Plant Plant dapat diartikan sebagai seperangkat peralatan yang bekerja bersama-sama
untuk melangsungkan operasi tertentu [Ogata,1992]. Susunan plant yang dimaksud mencakup : sensor, chamber dan aktuator. Secara keseluruhan rancangan plant harus mampu melangsungkan proses fisis yang sedang direncanakan. Kemampuan sensor sebagai pengindera harus mampu mendeteksi perubahan besaran fisis yang diukurnya, sehingga persyaratan mengenai keteramatan terpenuhi. Dilain pihak kemampuan aktuator pun harus dapat dikontrol dengan baik atau syarat keterkontrolan terpenuhi.
5.2.1
Perancangan chamber Bentuk chamber berupa kotak berdimensi 60cmx40cmx50cm, terbuat dari
bahan acrylic tembus pandang. Chamber memiliki 5 buah saluran udara yang menghubungkan chamber dengan entitas luar. Terdapat empat buah saluran masukan dan sebuah saluran pembuangan. Saluran masukan terpecah menjadi dua bagian, yaitu dua buah saluran pemanas dan dua buah saluran bebas.
(Gambar 5.4: Fitur fisik rancangan chamber )
52
Saluran pemanas yang menghubungkan chamber dengan pemanas, dibuat dari pipa paralon yang dilapisi bahan anti panas didalamnya. Kedua bagian ujung saluran pemanas yang terhubung pada chamber, dihubungkan melalui valve. Saluran bebas merupakan saluran masukan yang mengalirkan udara luar (lingkungan sekitar) kedalam chamber. Tujuan dibuatnya saluran bebas adalah untuk membantu mempercepat proses penyebaran panas juga untuk menguji sistem kontrol melalui pemberian beberapa gangguan.
(Gambar 5.5: Fitur fisik saluran masukan pada chamber ) Saluran terakhir merupakan saluran pembuangan, yang menghubungkan chamber dengan entitas luar. Fungsi dari saluran pembuangan ini adalah untuk menjaga keseimbangan tekanan didalam chamber.
(Gambar 5.6 : Fitur fisik saluran pembuangan pada chamber)
53
5.2.2
Pemilihan dan konfigurasi sensor Variabel fisis yang akan diukur adalah temperatur udara dalam ruangan, rentang
pengukuran berada pada nilai 200C s/d 1000C. Oleh karena itu dipilih sebuah sensor suhu yang memiliki daerah kerja yang cukup kecil. Sensor temperatur yang dipilih adalah LM35. Sensor LM35 merupakan sensor temperatur yang berbasis pada centigrade. Centigrade berarti tegangan keluaran (output) dari sensor temperatur ini menyatakan suatu temperatur dalam derajat Celcius. Untuk sensor LM 35, tegangan keluaran 10 mV menyatakan temperatur 1 derajat Celcius. Artinya bila tegangan keluaran sama dengan 250 mV, maka temperatur yang dibaca oleh sensor LM 35 adalah sekitar 25 derajat Celcius. Akurasi sensor LM 35 adalah ± 0.5 derajat Celcius dari temperatur aktual sistem. Artinya bila temperatur aktual sistem adalah 30 Celcius, maka temperatur yang diukur sensor ini dapat berada pada rentang 29.5 – 30.5 Celcius. Dimensi ruangan dalam chamber cukup besar, oleh karena itu dibutuhkan paling tidak dua buah sensor untuk pengukuran. Pada prakteknya digunakan 8 buah sensor temperatur untuk mengukur beberapa titik dalam chamber. Hasil pengukuran adalah nilai rata-rata terhadap setiap titik yang diukur suhunya.
(Gambar 5.7: Ilustrasi konfigurasi sensor pada chamber)
54
5.2.3
Perancangan aktuator Aktuator diterapkan untuk mengeksekusi hasil pengolahan sistem kontrol.
Terdapat tiga jenis aktuator yang digunakan, yaitu : kipas (fan) , valve, dan pemanas. Meskipun jenisnya berbeda, namun tujuan dari mekanismenya sama yaitu untuk mengatur laju aliran udara yang masuk maupun yang keluar melalui chamber. Secara teknis, pengaturan besaran fisis yang terukur pada setiap aktuator adalah : daya bagi pemanas, tegangan bagi fan, dan sudut bukaan bagi valve. Dilain pihak pengaturan daya bagi pemanas diprediksi dapat mengurangi beban lisrik yang dipakai dalam rancangan sistem kontrol. Pemanas yang dipakai merupakan sebuah hairdryer yang mempunyai kapasitas daya sebesar 1800 Watt. Skenario pengontrolan mengharuskan supaya terjadi pengaturan daya pada pemanas, namun nilai maximum yang dihasilkannya sebesar 1800 Watt. Kipas yang diterapkan pada saluran bebas dan saluran pembuangan dicatu oleh tegangan sebesar 12 Volt DC. Jenis valve yang digunakan tergolong kedalam jenis rotary valve (valve putar), memiliki sudut maksimum bukaan sebesar 600 untuk masing-masing celah.
( Gambar 5.8 : Ilustrasi struktur rancangan valve ) Pada valve terdapat 3 buah celah yang bisa dibuka maupun ditutup. Merujuk pada gambar 5.8, valve putar terdiri dari dua bagian yaitu bagian stator dan bagian rotor.
55
Bagian stator yang ditunjukan oleh warna hitam, menggambarkan lubang yang terhubung dengan saluran udara. Bagian rotor yang ditunjukan oleh warna kuning, menggambarkan sebuah katup yang dapat berotasi untuk membuka atau menutup celah pada bagian statornya. Rotor digerakan oleh motor stepper melalui karet mekanik atau belt. Motor steper merupakan jenis motor yang pergerakannya bertahap untuk setiap satu step, besar sudut tiap step sekitar 1.670. Pada prinsipnya motor steper bekerja berdasarkan pengaruh elektromagnetis dari setiap kumparan terhadap sebuah magnet permanen didalamnya. Berbeda dengan jenis motor lainnya, pergerakan motor steper diatur berdasarkan data digital yang diberikan kepadanya. Ada dua tipe motor steper yang tersedia dipasaran yaitu, tipe bipolar dan tipe unipolar. Namun dipilih tipe motor steper yang dipilih adalah tipe unipolar. Motor steper unipolar mempunyai 4 buah kumparan, berikut konfigurasinya :
(Gambar 5.8 : Konfigurasi motor steper unipolar) Olehkerena itu dibutuhkan 4 bit data untuk menggerakan motor steper searah jarum jam (clockwise) atau berlawanan arah jarum jam (counter clockwise).
56
5.3
Rancangan Hardware
5.3.1
Modul DAQ Modul DAQ digunakan untuk menangani proses-proses berikut : pengukuran
data, pengambilan data, dan pengiriman data kepada PC. Konfigurasi modul DAQ yang dirancang, diperlihatkan melalui gambar berikut :
(Gambar 5.9: Ilustrasi rancangan modul DAQ )
Beberapa spesifikasi yang diinginkan pada modul DAQ yang dirancang berdasarkan kriteria perancangan sistem adalah : 1. Banyaknya masukan sensor sebanyak 8 buah 2. Penguatan tegangan sensor dapat diatur pada kisaran 1 s/d 20 kali 3. Jumlah bit ADC yang dipakai sebesar 8-bit 4. Data sensor bisa diakses pada PC maupun pemroses lainnya seperti komponen TTL (Transistor-Transistor Logic) 5. PC dan Modul DAQ bisa berkomunikasi dua arah
57
Beberapa tahapan proses pengolahan sinyal sensor sedemikian hingga menjadi data-data digital yang muncul di PC, dijelaskan melalui bagan dibawah ini :
(Gambar 5.10: Ilustrasi alur proses sistem operasi pada modul DAQ )
a. Proses 1 Pada proses 1 dilakukan proses pemilihan saluran masukan dari 8 saluran masukan sensor. Komponen yang khusus menanganinya adalah multiplexer. Multiplexer atau MUX merupakan komponen elektronika yang berfungsi untuk memilih salah satu jalur data yang ingin diteruskan dari beberapa jalur data
58
masukan. Multiplexer memiliki arsitektur yang menyerupai gerbang saklar dimana proses pengaktifannya menggunakan teknik pengalamatan (addressing) pada pin kontrolnya.
Multiplexer yang digunakan dalam blok ini adalah MUX4051 yang memiliki 8 jalur data input (In0-In7), 1 jalur data output (Out), 3 alamat input (A,B,C) dan 1 pin logic(Enable Logic).
(Gambar 5.11: Fitur fisik dan skematik rangkaian MUX4051) Jalur kontrol dari mikrokontroller dihubungkan melalui jalur alamat dan pin enable logic. Selanjutnya mikrokontroller akan mengirimkan kombinasi logic untuk menentukan jalur data input yang dipilih. Berikut ini adalah tabel kebenaran dari setiap kombinasi logic pada jalur alamat multiplexer : A
KANAL ALAMAT MUX B C
JALUR DATA INPUT
0
0
0
IN 0
0
0
1
IN 1
0
1
0
IN 2
0
1
1
IN 3
1
0
0
IN 4
1
0
1
IN 5
1
1
0
IN 6
1
1
1
IN 7
(Tabel 5.1 : Tabel kebenaran pengalamatan multiplexer)
59
Tanda (0) merupakan kondisi low level tegangan, sebaliknya tanda (1) menyatakan kondisi high level tegangan. Pengoperasian muliplexer ini mengikuti langkah-langkah sbb : 1.
Aktifkan multiplexer dengan memberikan logic low (0) pada pin logic Enable MUX
2.
Lakukan pemilihan jalur data dengan memberikan kombinasi menurut tabel kebenaran pada table 4.1. Output multiplexer akan memberikan output tegangan yang sama dengan input tegangan dari jalur data input multiplexer yang dipilih.
3.
Non aktifkan multiplexer dengan memberikan logic high (1) pada pin logic Enable MUX setelah pembacaan data selesai dilakukan
b. Proses 2 Sinyal keluaran sensor LM35 berkisar antara 200 mV s/d 900 mV, olehkarena itu sebelum masuk pada ADC sinyal tersebut harus diperkuat. Berikut ini adalah skematik rangkaian penguat yang dirancang :
(Gambar 5.12: Skematik rangkaian penguat) 60
Merujuk pada gambar 5.12, proses penguatan yang terjadi dilakukan sebanyak 3 tahap. Tahap pertama bekerja penguatan membalik ditunjukan oleh kotak berwarna biru. Besarnya gain penguatan membalik diatur dengan melakukan penalaan pada resistor variabel Rvar 1. Tahap kedua bekerja penguatan penjumlah, bertujuan untuk mengatur level tegangan keluaran penguat membalik sesuai dengan level yang diinginkan. Pengaturan dilakukan dengan cara menala nilai hambatan pada resesistor variabel Rvar 2. Tahap ketiga bekerja penguatan penyangga, bertujuan untuk mempertahankan level tegangan keluaran dari penguat penjumlah. Komponen elektronik yang berperan dalam memperkuat sinyal analog adalah penguat operasional atau op-amp, dan jenis op-amp yang digunakan adalah LM741.
c. Proses 3 Proses yang terjadi pada proses 3 adalah konversi sinyal analog menjadi sinyal digital. Tujuannya adalah supaya data analog sensor dapat diolah oleh perangkatperangkat digital, seperti PC dan mikrokontroller. Komponen yang digunakan adalah sebuah single-chip (IC) ADC atau Analog to Digital Converter. ADC adalah komponen elektronika yang digunakan untuk mengkonversi data analog menjadi data digital. Jenis IC ADC yang digunakan dalam blok ini adalah ADC0809. ADC0809 merupakan ADC 8 bit, yaitu ADC yang mengkonversi data analog menjadi data digital dengan panjang data sebanyak 8 bilangan digital (1 byte). Artinya, ADC ini mengkonversi data analog menjadi data digital dalam rentang 00000000 – 11111111 dalam basis biner (atau 0 – 255 dalam basis
61
desimal). IC ADC yang terdapat dalam blok ADC ini menggunakan tegangan referensi sebesar 5 volt sebagai acuan dalam konversi data.
Sampling rate dari ADC 0809 (ADC jenis SAR / Successive Approximation Register) sekitar 100 us. Sampling rate ini menunjukkan waktu minimum yang diperlukan oleh ADC 0809 untuk melakukan satu proses konversi. ADC 0809 memiliki error konversi sebesar ± 1 lsb artinya hasil konversi data analog akan berbeda sekitar ± 19.6 mV dari data analog sebenarnya. Masukan analog pada ADC 0809 terdapat 8 buah channel masukan, dengan demikian pada ADC 0809 terdapat kanal-kanal yang dialamati khusus untuk melakukan pemilihan gerbang masukan diantara 8 buah gerbang masukan tersebut.
Berikut fitur fisik dan penerapan IC ADC0809 pada rancangan blok operator proses 3 :
(Gambar 5.13: Fitur fisik dan Skematik rangkaian ADC0809) Merujuk pada gambar 5.13, ADC 0809 memiliki beberapa pin logic yang harus dikontrol agar ADC ini dapat melakukan konversi data. Pin-pin logic tersebut adalah pin logic START (Write), Output Enable (Read), End Of Conversion (Interrupt). Kanal data keluaran digital ADC terdiri dari pin D0 s/d D7.
62
Pengoperasian ADC dapat dilakukan dengan melihat diagram pewaktuan (timing diagram) berikut :
(Gambar 5.14 : Diagram pewaktuan ADC 0809) Diagram pewaktuan merupakan sebuah metode standar yang digunakan untuk menjelaskan siklus kerja sistem dari sebuah komponen digital. Melalui pembahasan mengenai informasi diagram pewaktuan ADC 0809, dapat dibuat protokol
untuk
mengoperasikannya.
Adapun
langkah-langkah
untuk
mengoperasikan ADC 0809 yang dimaksud, adalah: 1. Pilih gerbang masukan analog, pada pin A, B dan C. Gerbang analog hanya dipilih satu dari 8 gerbang yang ada 2. Aktif High sinyal pin logic ALE dan pin logic START dengan cara memberi logic 1 pada pin logic START 3. Periksa kapan konversi data selesai dengan merujuk pada pola sinyal keluaran pada pin logic EOC yang terhubung dengan Interupt Mikrokontroller 4. Lakukan penulisan data hasil konversi ke pin output dengan memberikan logic high pada pin logic Output Enable
63
d. Proses 4 Data sensor suhu yang masuk pada proses 4 sudah beruapa data digital 8-bit. Selanjutnya data suhu ini akan diproses supaya data dapat diakses oleh PC dan komponen TTL. Kompenen TTL (Transistor-Transistor Logic) merupakan keluarga IC yang mana level high tegangan logicnya sebesar 5 Volt. Komponen TTL yang dimaksud adalah mikrokontroller, fasilitas ini dibuat untuk mendukung rancangan sistem embedded pada sistem pemanas. Komponen utama yang bertugas untuk mengolah data digital pada modul DAQ adalah mikrokontroller.
Mikrokontroller adalah sebuah piranti berwujud IC single-chip yang dirancang khusus menyerupai struktur fungsional dari sebuah komputer. Secara umum struktur fungsional komputer terdiri dari : RAM atau Random Access Memory, ROM atau Read Only Memory, perangkat input-output atau I/O, dan CPU atau Central Processing Unit. Meskipun struktur fungsional mikrokontroller mirip dengan komputer, namun kapasitas struktur keseluruhan sistemnya terbatas. Penerapan mikrokontroller pada modul DAQ ini berfungsi juga untuk mengontrol sistem operasional komponen-komponen digital lain yang termasuk dalam modul DAQ.
Jenis mikrokontroller yang digunakan adalah AT89S52, termasuk dalam golongan mikrokontroller MCS51. Disamping itu tipe IC dari AT89S52 termasuk dalam jenis IC TTL. Mikrokontroller ini merupakan mikrokontroller 8 bit yang mampu ditulisi dengan pemograman flash (flash programmer). Mikrokontroller
64
ini memiliki 40 pin dengan komposisi 32 pin input-output, 3 pin untuk pertambahan RAM / EEPROM, 2 pin untuk osilator kristal, 1 pin untuk reset, dan 2 pin untuk Vcc dan Gnd.
(Gambar 5.15: Skematik rangkain dan konfigurasi pin-pin AT89S52) Merujuk pada gambar 5.15, beberapa pin mikrokontroller yang digunakan untuk mengontrol komponen digital dan penyedia jalur data digital dalam modul DAQ adalah : 1. Port 2 (P2.0 s/d P2.7) digunakan sebagai input data digital dari ADC 2. Port 1 digunakan sebagai pin pengontrol multiplexer (P1.4 – P1.7) 3. Port 3 digunakan untuk mengontrol pin-pin logic ADC0809. Pin START terhubung dengan P3.6; pin Conversion Enable terhubung dengan pin P3.7. 4. Port TXD dan RXD digunakan untuk komunikasi data serial dengan PC dimana baud rate yang digunakan adalah 57600 bps (bit per second). Disamping itu port TXD dan RXD ini digunakan untuk melangsungkan dengan komponen TTL (mikrokontroller lain)
65
Mikrokontroller dirancang untuk dapat melakukan komunikasi dengan PC maupun mikrokontroller lain. Protokol sistem komunikasi yang diterapkan adalah metode pengiriman data serial UART ( Universal Asynchronous Receiver Transmitter ). Proses penerapan pengiriman data serial UART dilakukan dengan cara memprogram mikrokontroller, melalui pengontrolan register timer.
Sebelum melakukan komunikasi serial antara mikrokontroller dengan PC, perlu dilakukan penyamaan level tegangan pada pin transmitter dan reciever kedua piranti. Hal ini dilakukan karena sudah ada standard mengenai komunikasi antarmuka terhadap beberapa piranti elektronik. Standar komunikasi data serial yang dipakai adalah standar EIA( Electronic Industries Association) RS-232. Dokumentasi standard ini salah satunya membahas mengenai level tegangan untuk kondisi HIGH dan kondisi LOW [Champbel Joe-9]. Komponen digital yang dipakai dalam modul DAQ ini adalah IC konverter MAX232. Berikut fitur fisik dan skematik rangkaian MAX 232 yang dipakai:
(Gambar 5.16: Fitur fisik dan skematik rangkain MAX 232) 66
5.3.2
Modul Aktuator Jenis aktuator yang digunakan ada 3, yaitu : valve, fan dan pemanas. Olehkarena itu dirancang 3 bagian modul penggerak pada masing-masing aktuator. Semua aktuator dikendalikan oleh PC melalui jalur paralel pada port LPT-1.
(Gambar 5.17: Ilustrasi rancangan modul aktuator) Port LPT-1 memiliki 25 pin, masing-masing digolongkan kedalam empat jenis fungsi, yaitu : jalur data, jalur status, jalur kontrol dan grounding. Pada prakteknya digunakan jalur data untuk mengendalikan aktuator. Kapasitas jalur data sebanyak 1 byte atau 8 bit, olehkarena itu jalur data yang tersedia berjumlah 8 pin. Untuk keperluan manipulasi data digunakan latch, sehingga mampu mengirimkan data ke-sejumlah terminal keluaran. Proses manipulasi dilakukan dengan cara memecah jalur 8 bit data menjadi 2 bagian atau per-nible. Empat pertama dijadikan sebagai saluran data bagi aktuator, empat berikutnya dijadikan sebagai saluran kontrol untuk latch.
Latch yang digunakan adalah jenis D Flip-Flop dengan tipe produk DM74LS573. Sinyal kontrol masing-masing dihubungkan pada pin LE (Latch Enable) lacth.
67
Saat pin LE berkondisi High kondisi latch adalah kondisi mengunci, sehingga keluaran latch akan selalu sama dengan keadaaan awalnya. Kondisi sebaliknya bagi lacth ketika LE berkondisi Low.
( Gambar 5.18: Fitur fisik dan tabel kebenaran Latch DM74LS573 )
a. Modul Valve Modul valve merupakan susunan rangkaian pengendali motor steper. Komponen digital yang digunakan adalah ULN2003, berfungsi untuk menguatkan arus yang mengalir pada kumparan motor steper.
( Gambar 5.19: Skematik rangkaian modul valve ) Merujuk pada gambar 5.19 diatas, paket data 4 bit dari PC dihubungkan pada ULN2003 ditunjukan oleh garis berwarna hitam dengan tanda D0 s/d D3. Jumlah keluaran ULN2003 sebanyak 4 jalur dan itu masing-masing dihubungkan pada
68
motor stepper, diperlihatkan dengan garis berwarna. Aturan yang dipakai untuk menggerakan motor stepper dijelaskan melalui penjelasan pada tabel berikut : TAHAP
D3
D2
D1
D0
DESIMAL
1 2 3 4 1
1 0 0 1 1
0 1 1 0 0
0 0 1 1 0
1 1 0 0 1
9 5 6 10 9
(Tabel 5.2: Tabel tahapan pengiriman data motor stepper ) 0
Untuk menggerakan motor stepper setiap satu step sebesar 1.67 , diperlukan kelengkapan urutan tahapan pengiriman data mulai dari tahap 1 sampai tahap 4. Dengan demikian data yang dikirimkan untuk memutar 1 step diperlukan data array berikut: [ 9, 5, 6, 10 ]. Proses pembalikan arah putaran dilakukan dengan cara mengubah susunan data array untuk pemutaran setiap 1 step, sehingga data array yang diperlukan adalah: [10,5, 6, 9]. Aturan pemutaran motor stepper seperti yang ditunjukan pada tabel 5.2 hanya berlaku untuk motor stepper unipolar.
b. Modul Fan Pemasangan fan diposisikan pada saluran keluaran dan saluran bebas. Fan yang dipasang
pada
saluran
keluaran
berfungsi
untuk
mempercepat
proses
pengosongan chamber, sedangkan fan yang dipasang pada saluran bebas berfungsi untuk mempercepat proses penyebaran panas. Penjadwalan fan ditentukan oleh masa aktif dari valve yang diterapkan. Olehkarena itu pengaturan fan disinkronkan dengan pengaturan valve ( inhaust valve dan exhaust valve).
69
Modul fan tersusun dari rangkaian relay, dimana trigger (pemicu) relay dihubungkan dengan pin data LPT-1. Berikut skematik rangkain modul fan :
( Gambar 5.20: Ilustrasi rancangan modul fan )
c. Modul Pemanas Modul pemanas tersusun dari rangkaian saklar dan sebuah DAC, namun saklar yang dipakai merupakan tipe semikonduktor atau TRIAC. Dengan menggunakan modul pemanas daya keluaran pemanas dapat diatur berdasarkan nilai bit yang dikirim dari PC. Olehkarena itu dibutuhkan DAC ( Digital to Analog Converter) untuk menghasilkan sinyal analog dari data-data digital.
( Gambar 5.21: Skematik rangkaian modul pemanas ) Tegangan analog yang dihasilkan digunakan untuk mengendalikan Opto Coupler. Aktivasi TRIAC ditentukan oleh perbedaan tegangan analog dan tegangan refrensi pada opto coupler. Variasi perbedaan tegangan tersebut akan menyebabkan variasi daya pemanas dari 0 watt sampai dengan 1800 watt.
70
5.4
Rancangan Software Perangkat lunak atau software diperlukan untuk menjalankan keseluruhan
hardware (perangkat keras) yang dirancang. Merujuk pada pembahasan mengenai kriteria rancangan software yang diinginkan (lih Bab 5.1) , realisasinya diwujudkan melalui rancangan cetak biru software berikut :
(Gambar 5.22: Rancangan cetak biru software Human Machine Interface)
71
Merujuk pada gambar 5.22, diperlihatkan mengenai alur proses (run time process) yang terjadi pada software yang dibuat. Pengguna atau user mendapatkan fasilitas untuk mengakses hardware secara manual maupun otomatis ketika digunakan untuk menjalankan sistem kontrol. Data-data hasil pengukuran secara otomatis tersimpan dalam format file umum sehingga dapat dibuka pada semua jenis text editor. Bahkan user pun dapat terus memonitor kondisi plant secara real-time, melalui grafik dan perangkat display lainnya. Pada layer (lapisan) local operating system, terjadi proses pengolahan data-data yang telah diinisialisasi maupun diinputkan oleh user. Jalur penghubung yang berwarna hijau menandakan deretan data dari pengguna, warna merah muda menandakan jalur kontrol (boolean logic), dan warna biru menandakan jalur data pemrosesan dalam sistem. Pada layer hardware, diperlihatkan mengenai sekumpulan hardware yang terlibat dalam komponen penyusun sistem kontrol. Untuk menjembatani koneksi antara PC dengan hardware, pada software sudah dipersiapkan beberapa protokol yang menangani komunikasi data secara serial dan paralel. Software yang dibuat tersebut dinamai dengan HMI (Human Machine Interface), karena fungsinya sebagai penghubung antara user dengan hardware (machine) sedemikian hingga user dapat berinteraksi terhadapnya. Perancangan software HMI ini dilakukan dengan menggunakan LabView 8.0. Perancangan program yang menjalankan komputasi fuzzy logic dilakukan pada software FuzzyTech versi 5.1, sehingga untuk menggabungkan dengan software HMI yang dibuat, format filenya harus berupa fungsi dll ( dynamic link library).
72
5.4.1
Perancangan struktur sistem fuzzy logic untuk sistem kontrol Perancangan software fuzzy logic untuk aplikasi sistem kontrol sudah
distandarisasikan melalui dokumen IEC (International Electrotechnical Commission) yang dikeluarkan pada tahun 1997. Olehkarena itu sejumlah produk software yang mendukung komputasi fuzzy logic banyak bermunculan. Software yang digunakan untuk merancang komputasi fuzzy logic untuk sistem kontrol ini adalah FuzzyTech 5.1. Fasilitas utama yang diberikan adalah, membantu user untuk membangun sistem fuzzy logic untuk beberapa aplikasi, salah satunya adalah untuk perancangan sistem kontrol. Perancangan fuzzy logic untuk sistem kontrol harus melewati beberapa tahapan perancangan berikut :
(Gambar 5.23: Alur proses penerapan sistem fuzzy logic pada sistem kontrol ) Tahapan preprocessing dan post-processing dikerjakan melalui software LabView 8.0, sedangkan tahapan perancangan struktur sistem fuzzy logic dikerjakan pada FuzzyTech 5.1. Pada prakteknya perancangan struktur sistem fuzzy logic tersebut dilakukan berulang-ulang kali, tujuannya adalah untuk mencapai hasil yang optimal. Perlu dicatat disini, bahwa tidak ada metode khusus yang menentukan performasi rancangan sistem fuzzy logic. Karena perancangan sistem fuzzy logic ditentukan oleh pengalaman si perancang mengenai penguasaan terhadap masalah yang sedang dihadapinya.
73
Variabel input yang akan diproses pada sistem fuzzy logic ini adalah error temperatur (error) dan laju perubahan error temperatur (error dot). Variabel output yang akan dihasilkan melalui sistem fuzzy logic ini adalah sudut bukaan valve (bukaan). Ketiga variabel tersebut ( error, error dot, dan bukaan) akan diproses melalui tahap fuzzifikasi. Kemudian setelah proses fuzzifikasi selesai dilakukan, berikutnya adalah tahap pembentukan rule-base dan inferensi, tahap terakhir adalah proses defuzzifikasi. Untuk memantapkan pemahaman mengenai proses perancangan struktur sistem fuzzy logic, dianjurkan untuk membaca kembali bab 4 pada tulisan ini. Variabel error didefinisikan sebagai selisih antara nilai temperatur aktual dengan nilai set point temperatur. Variabel laju perubahan error didefinisikan sebagai selisih nilai mutlak error sekarang dengan nilai error mutlak sebelumnya. Periode waktu untuk menentukan variabel laju perubahan error ditentukan selama 1 detik. Error = Temperatur Aktual – Temperatur Set Point Error Dot = | Error n | - | Errorn - 1 |
(5.1) (5.2)
Untuk mendapatkan nilai error dan error dot, data-data mentah hasil pengukuran harus dimanipulasi pada tahap preprocessing. Selanjutnya akan dibahas mengenai beberapa tahapan yang dilalui dalam rangka melakukan perancangan sistem fuzzy logic menggunakan FuzzyTech 5.1.
a. Tahap Fuzzifikasi Pada prakteknya proses fuzzifikasi merupakan proses pembentukan himpunan fuzzy untuk setiap variabel yang akan diproses pada sistem fuzzy logic. Sebelum melangkah lebih jauh, pertama kali yang harus dilakukan adalah menentukan
74
selang nilai untuk setiap variabel. Dasar pertimbangan yang digunakan adalah berdasarkan data-data pengamatan terhadap sistem yang ditinjau. Setelah selang nilai didapatkan, selanjutnya mengelompokan nilai-nilai tersebut kedalam variabel bahasa (language variable) yang ditentukan berdasarkan pengalaman perancang. Ketika melakukan pengelompokan ini, secara definisi perancang melakukan pengaturan (adjustment) terhadap fungsi keanggotaan untuk setiap variabel bahasa yang ditentukannya.
Tahap fuzzifikasi dalam perancangan sistem fuzzy logic, berkaitan dengan penggunaan software FuzzyTech 5.1, diperlihatkan melalui gambar-gambar berikut :
(Gambar 5.24: Panel fuzzifikasi variabel error pada FuzzyTech 5.1)
75
(Gambar 5.25: Panel fuzzifikasi variabel laju error pada FuzzyTech 5.1)
(Gambar 5.26: Panel fuzzifikasi variabel bukaan valve pada FuzzyTech 5.1) Variabel error secara intuitif terbagi menjadi 3 bagian yaitu : negatif, zero dan positif. Semakin negatif nilai error semakin jauh nilai temperatur yang diukur terhadap nilai temperatur yang diinginkan. Variabel error dot pun dikelompokan menjadi 3 bagian yaitu : decrease, steady, dan increase. Secara definisi diartikan bahwa, semakin besar derajat keanggotaan variabel bahasa decrease, maka semakin lambat pula laju kesalahan sistem kontrol. Pemilihan variabel error dot yang mengukur laju kesalahan atau error, didasari atas pertimbangan untuk melihat seberapa cepat respon sistem terhadap gangguan. Pada akhirnya,
76
kecepatan sistem untuk mencapai nilai set point dapat diatur sesuai dengan hasil yang diharapkan.
b. Tahap pembentukan rule-base dan inferensi Pemetaan variabel fuzzy masukan kepada variabel fuzzy keluaran dilakukan dengan cara menentukan rule untuk semua kemungkinan. Metode inferensi yang dipakai adalah inferensi Mamdani. Seperti halnya dengan proses fuzzifikasi, ketika menentukan rule base pun dilakukan secara intuitif dan berdasarkan pengalaman.
(Gambar 5.27: Panel pembuatan rule base pada FuzzyTech 5.1) Ciri khas dari inferensi Mamdani adalah pernyataan consequent pada setiap rule, dinyatakan dalam himpunan fuzzy yang diwakili oleh suatu variabel bahasa. Seperti yang diperlihatkan pada gambar 5.27 diatas. Pencarian nilai optimal dari sistem kontrol dilakukan dengan cara mengatur susunan rule pada rule base yang dibuat.
77
c. Tahap defuzzifikasi Ketika melakukan perancangan sistem fuzzy logic, software yang digunakan telah menyediakan fasilitas untuk menentukan metoda defuzzifikasi yang ingin diterapkan. Metode defuzzifikasi yang dipilih adalah COG (Centre of Gravity) atau COM (Centre of Maxima). Metode ini dipilih karena banyak digunakan untuk perancangan sistem kontrol
(Gambar 5.28: Panel pemilihan metode defuzzifikasi pada FuzzyTech 5.1)
Setelah struktur fuzzy logic selesai dibangun, file yang dibuat harus di compile kedalam bentuk sistem run-time. Tujuannya supaya struktur fuzzy logic yang dibuat melalui FuzzyTech 5.1 dapat diakses oleh software HMI yang dibuat melalui LabView 8.0. Namun perlu diperhatikan mengenai waktu operasi dari fungsi sistem fuzzy logic tersebut, hal ini dilakukan untuk mencegah gagalnya operasi akibat timeout proses.
78
5.4.2
Protokol pengatur aktuator Nilai crisp yang dihasilkan oleh sistem fuzzy logic, akan diumpankan pada
ketiga aktuator. Olehkarena itu dibutuhkan program yang menangani pengolahan data dan interfacing kepada hardware (modul aktuator). Dilain pihak program tersebut dapat digunakan secara manual oleh user (lih Gb 5.22).
Prosedur pengaturan aktuator
bersarkan nilai crisp dari sistem fuzzy logic maupun manual, dijelas melalui ilustrasi DFD (Data Flow Diagram) berikut :
(Gambar 5.29: DFD proses pengaturan modul aktuator)
79
5.4.3
Rancangan software interfacing Modul DAQ dengan PC Pada bab sebelumnya telah diperlihatkan mengenai proses yang terjadi pada
modul DAQ. Dalam kaitannya dengan interfacing (antar muka) dengan PC, data hasil pengukuran dikirimkan secara serial dengan metode UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter). Metode pengiriman UART dijelaskan melalui ilustrasi berikut :
(Gambar 5.30: Teknik UART dalam komunikasi serial ) Merujuk pada gambar 5.30, untuk memulai proses pengiriman data 8 bit atau 1 byte perlu dilakukan inisialisasi dengan memberikan bit penanda bahwa data akan dikirim. Bit penanda untuk memulai proses pengiriman ini adalah bit START yang berkondisi low atau logic 0. Setelah bit START dikirim data dikirim secara serial sebanyak 8 bit atau 1 byte mulai dari bit LSB (Least Significant Bit) sampai bit MSB (Most Significant Bit). Ketika proses pengiriman data selesai, kemudian ditutup dengan pemberian bit penanda akhir atau STOP bit yang berkondisi high atau logic 1. Kecepatan proses pengiriman data perdetik secara serial melalui teknik UART dinyatakan dalam baud rate dengan satuan bps atau bit per second Komponen pengendali dari modul DAQ tersebut adalah mikrokontroller AT89S52. Dalam upaya memprogram mikrokontroller perlu dipersiapkan beberapa tools yang dibutuhkan, antara lain : Editor, Compiler, dan Downloade/linker. Editor berfungsi untuk menuliskan text bahasa pemograman yang dipakai, compiler berfungsi untuk mengekstrak kode-kode mesin dari program yang ditulis pada editor, dan downloader
80
berfungsi untuk mengirimkan kode-kode mesin pada flash memory mikrokontroller. Pada prakteknya perangkat lunak yang digunakan untuk memprogram mikokontroller AT89S52 adalah ProVIEW32. Perangkat lunak tersebut sudah dilengkapi dengan editor, compiler dan downloader /linker. Dibawah ini diperlihatkan mengenai flowchart proses akuisisi data sampai pada pengiriman data ke PC :
(Gambar 5.31: Flowchart proses akuisisi data dan interfacing modul DAQ ke PC )
.
81
